Dr. Adina Luican-Mayer

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Full Name

Dr. Adina Luican-Mayer

Academic Profile

Summary

Developing 2D materials for quantum circuits, quantum sensing and information storage

Long description

Our laboratory integrates scanning probe microscopy and fabrication of custom materials and nanodevices. We aim to advance knowledge of physical phenomena that emerge as a result of low dimensionality, presence of surfaces and interfaces, and proximity between different states of matter.

Type of institution

University

Address

University of Ottawa, Laurier Avenue East, Ottawa, ON, Canada

Institution

University of Ottawa

I have a knowledge mobilization grant.

Yes

Website

http://www.uottawa.ca

Video Transcript

Transcription

Transcript (English)

Introduce your team
Hi my name is Adina Luican-Mayer and I’m an assistant professor in the physics department at the University of Ottawa. We’re here in our lab in the Advanced Research Complex.

Describe your research

As scientists one of our goals is to develop technologies that can help solve grand society challenges. These technologies can help create a more sustainable environment, can improve healthcare, or they can be used for enabling the digital revolution. At the heart of these technologies is the discovery and the understanding of new materials.

For the last decade this class of new materials got us all excited. These are the thinnest material as you can imagine nanometers thin and below. At these thicknesses the quantum mechanical effects are so strong that these materials no longer behave like the macroscopic materials we’re all accustomed to and with that comes the promise of technological advances. We can foresee their use in making flexible low power consumption electronics and optoelectronics or ultra sensitive sensors.

Take graphite for example. This material looks like a book where every page or every plane is made out of carbon atoms that are strongly bonded in plane. Yet out of plane they’re loosely bonded. In 2005 the revolution in the field came when it was shown that you can actually detach a single atomic layer and you can make devices where electrons are confined in two dimensions.

In these devices these materials behave nothing like the bulk material they came from. Beyond just a single carbon atom layer or graphene an entire family of materials was uncovered and their properties are being heavily researched right now.

Here in our lab our research team is combining the flexibility of designing devices out of these quantum materials with powerful imaging techniques to uncover the new physical phenomena that occurs when we confine electrons in low dimensions. Experimental technique that makes it possible to address and visualize and manipulate electrons at the atomic scale or at the nanometer scale give us a way to understand new materials.

Scanning tunneling microscopy and spectroscopy is such a technique and we have it here in low-temperature and ultra-high vacuum and with that we’re able to image individual atoms in these materials, and beyond just visualizing the structure of the materials, we’re also able to see what electrons behave like in our materials.

If you think of interfaces or surfaces or small defects in the crystal like a missing atom or a misalignment between the planes of atoms, these are all microscopic phenomena that happen at the nanoscale. As it turns out, however, they have a big influence on the properties of materials they actually determine how the devices behave.

When we get information with the scanning tunneling microscope we can then use that to predict the macroscopic behavior: how the current gets transported or how the heat gets transported in the material and so on. Not only can we visualize the properties of these materials but we can also try and change the property so we can add or remove the electrons and we can try to apply stress or strain.

That gives us a knob to fine-tune the properties that we might be interested in more or less electric current more or less optically transparent and so on.

Explain its significance

Beyond just challenging our current understanding of materials, we’ve also partnered with industry and governments to try and leverage these new discoveries towards discovering new technologies. In one example of our projects we are developing ultra sensitive and selective sensors based on our expertise in understanding of the surface properties of 2d materials.

In another one of our projects, we are further confining the electrons in two dimensions we are creating quantum circuits where we can think about storing information or doing quantum sensing or using it for quantum computations.

2d materials offer us not just the opportunity of a beautiful intellectual exercise and expanding the knowledge of our current understanding of materials, but it also creates the opportunity for disrupting current technologies because when new physical phenomena are discovered we can now make devices that are based on completely different operation principles.

 Transcript (French)

Introduisez votre équipe

Bonjour, mon nom est Adina Luican-Mayer et je suis professeur adjoint dans le département de physique à l’Université d’Ottawa. Nous sommes ici dans notre laboratoire au Complexe de recherche avancée.

Decrivez votre recherche

Comme scientifique, notre bût principal est de développer des technologies pour résoudre les grands problèmes de la société. Ces technologies peuvent aider à créer un environnement plus durable, améliorer les soins de santé, et peuvent être utilisées afin de permettre une révolution digitale.

Au cœur de ces technologies est la découverte et la compréhension de nouveaux matériaux. Durant les dernières décennies, cette catégorie de matériaux ont créé de l’excitation.  Ils sont les plus minces matériaux imaginables. Mesurés en nanomètres et moins. A cette épaisseur, les propriétés quantum sont tellement fortes que ces matériaux ne se comportent plus comme les matériaux macroscopiques dont nous sommes tous habitués et avec ceci vient la promesse de percées Technologiques.

Nous pouvons prévoir leur utilisation pour faire de l’électronique flexible et à faible consomption et de l’optoelectronique ou des senseurs ultras sensibles. Prenons le graphite à titre d’exemple. Ce matériel ressemble à un livre dont chaque page ou plan est composé d’atomes de carbone qui sont fortement liés sur le plan. Mais hors du plan, ils sont faiblement liés.

En 2005, la révolution dans le domaine est survenue quand on a découvert que l’on peut détacher une couche atomique individuelle et faire des appareils où les électrons sont confinés à deux dimensions. Dans ces appareils, ces matériaux ne se comportent pas comme les matériaux dont ils viennent.

Au delà d’une couche d’un seul atome de carbone ou de graphene toute une famille de matériel a été découverte et leurs propriétés sont sujets d’une recherche poussée. Ici dans notre laboratoire, notre équipe de recherche combine la flexibilité de concevoir des appareils de ces matériaux quantums avec des techniques d’imagerie pour découvrir des nouveaux phénomènes physiques qui se passent les électrons sont confinés dans des basses dimensions.

Les techniques expérimentales qui rendent possible d’adresser, de visualiser et de manipuler les électrons à l’échelle atomique ou nanomètre nous permettent de comprendre des nouveaux matériaux. La micrographie à effet tunnel et la spectroscopie sont de telles techniques et nous l’avons en basse température et sous vide très élevé.

Avec ceci nous sommes capable de représenter les atomes individuels dans ces matériaux, et au-delà de juste visualiser la structure des matériaux, nous sommes aussi capable de savoir comment les électrons se comportent dans nos matériaux. Si vous pouvez imaginer des petits défauts sur le crystal tels qu’un atome qui manque ou qui n’est pas aligné entre les plans d’atome, ces phénomènes microscopiques qui se trouvent à l’échelle nano.

Il s’avère qu’ils peuvent avoir une grande influence sur les propriétés des matériaux et qui déterminent comment ces appareils se comportent. Quand nous obtenons l’information avec  la micrographie à effet tunnel nous pouvons alors l’utiliser afin de prédire le comportement macroscopique : comment le courant est transporté ou comment la chaleur est transportée dans le matériel.

Non seulement pouvons-nous visualiser les propriétés de ces matériaux, mais nous pouvons également essayer de changer les propriétés pour pouvoir ajouter ou enlever les électrons et essayer d’ajouter des contraintes ou des déformations. Ceci nous donne un levier pour régler précisément les propriétés qui peuvent nous intéresser. Plus ou moins de courant électrique, plus ou moins de transparence optique et ainsi de suite.

Quelle est son importance

Au délà de défier notre compréhension de matériaux, nous sommes également en partenariat avec l’industrie et les gouvernements afin d’utiliser ces nouvelles découvertes pour trouver des nouvelles technologies.

Par exemple, un de nos projets est de développer des senseurs ultra sensibles et sélectifs basés sur notre expertise en compréhension des propriétés de surfaces des matériaux 2d. Dans un autre projet, nous confinons les électrons en deux dimensions. Nous créons des circuits quantums dans lesquelles nous voulons stocker de l’information, faire de la détection quantum ou pour la computation quantum.

Les matériaux 2d nous offrent non seulement la possibilité d’un bel exercice intellectuel et augmenter notre connaissance des matériaux mais ça créé également la possibilité d’ébranler les technologies actuelles parce que quand des nouveaux phénomènes physiques sont découvertes nous pouvons alors créer des appareils basés sur des principes d’opération complétements différents.