Graphenquantenpunkte mit magnetisch induziertem Einschlußpotenzial

• Antragsteller: Professor Dr. Markus Morgenstern
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 400112579

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Graphen-Quantenpunkte haben sich zuletzt enorm entwickelt, sodass sie als vielversprechende Kandidaten für Spin-, Valley- oder Kramers-Qubits in Festkörpern gelten. Dabei nutzt man Doppellagen von Graphen mit einstellbarer Bandlücke. Teilweise wurden erstaunliche Relaxationszeiten der binären Kramers-Quantenzustände im Quantenpunkt von bis zu ~40 Sekunden erreicht. Erste Kohärenzeigenschaften von solchen Freiheitsgraden innerhalb eines Quantenpunkts wurden ebenfalls demonstriert. Die Ausgangssituation hat sich im Vergleich zu 2018, als dieses Projekt bewilligt wurde, also deutlich verändert. Damals schlugen wir aufbauend auf erfolgreichen Messungen mit einem spitzeninduzierten Quantenpunkt in einschichtigem Graphen vor, den demonstrierten magnetischen Einschluss von Elektronen mit präziser Kontrolle über Spin- und Valley-Freiheitsgrade zu einer skalierbaren Plattform weiterzuentwickeln – allerdings zunächst unter Einbeziehung des spitzeninduzierten Quantenpunkts aufgrund der möglichen, lateralen Steuerbarkeit. Im Verlauf des Projekts erzielten wir erhebliche Fortschritte bei der Präparation geeigneter Proben durch Stapelungsverfahren, die für die Rastertunnelspektroskopie optimiert wurden, sowie bei der Maskentechnologie zur Kontaktpräparation. Die Optimierung der magnetisch eingeschlossenen Quantenpunkte im Hinblick auf Qubits haben wir jedoch nicht intensiviert, da diese im Vergleich zu den inzwischen etablierten Doppellagen-Graphen-Quantenpunkten aufgrund des notwendigen hohen Magnetfelds nicht mehr konkurrenzfähig sind. Stattdessen nutzten wir das gewonnene Wissen, um verfeinerte Strategien zu entwickeln, mit denen sich der spitzeninduzierte Quantenpunkt vermeiden lässt, um so eine ungestörte Abbildung subtiler Zustandsdichte-Merkmale im Magnetfeld zu ermöglichen – etwa von Randzuständen im Quanten-Hall-Regime. Darüber hinaus nutzten wir die entwickelte Präparationstechnologie zur Herstellung hochwertiger Quantenpunkt-Arrays in Halbleiter-Nanodrähten, mit dem Ziel, diese für eine neuartige Rastersondenmethode mit Einzelelektronennachweis einzusetzen.

Link zum Abschlussbericht

https://oa.tib.eu/renate/handle/123456789/27135

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Ph.D. thesis, RWH Aachen: Interplay of quantum Hall edge states in graphene with the tip-induced quantum dot and graphene sample fabrication techniques for advanced scanning tunneling microscopy
  T. Johnsen
  
• Mapping quantum Hall edge states in graphene by scanning tunneling microscopy. Physical Review B, 107(11).
  Johnsen, T.; Schattauer, C.; Samaddar, S.; Weston, A.; Hamer, M. J.; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Gorbachev, R.; Libisch, F. & Morgenstern, M.
  
• Ph.D. thesis, RWTH Aachen: Development of a Charge Sensor in III- V Semiconductor Nanowires for Scanning Tunneling Microscopy
  F. Jekat