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Vielteilchen Wechselwirkung in zweidimensionalem Festkörper

Fachliche Zuordnung Experimentelle Physik der kondensierten Materie
Förderung Förderung von 2018 bis 2024
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 410866565
 
Erstellungsjahr 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel dieses Projekts war die Untersuchung von Quantenvielteilchen-Wechselwirkungen in einem zweidimensionalen Festkörpersystem. Diese Wechselwirkungen stehen im Zusammenhang mit interessanten physikalischen Phänomenen wie Quantenphasenübergängen, Spinfrustration und Spinflüssigkeiten, die für Anwendungen der Quantentechnologie immer wichtiger werden. Die physikalische Umsetzung wurde 2013 vorgeschlagen und basiert auf einem 2D-Array von Kernspins auf einer Diamantoberfläche. Ein einzelnes Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (NV-Zentrum) (ein bekannter Quantensensor) wenige Nanometer unter der Oberfläche wird sowohl für die Initialisierung der Spins als auch für das Auslesen ihres kernmagnetischen Resonanzsignals (NMR) verwendet, und die kohärente Steuerung erfolgt mit Radiofrequenzimpulsen. Simulationen zeigen, dass das Kernspin-Array als Quantensimulator fungieren kann, in dem quantenmagnetische Phasenübergänge und Quantenphasen von Superfluiden und Supersoliden realisiert werden können. Die ursprünglich vorgeschlagene Realisierung mit Fluoratomen, die die Diamantoberfläche terminieren, konnte nicht realisiert werden, so dass hier das Ziel war, 2D-Flakes aus van der Waals-Materialien zu verwenden. Letztere bieten von Natur aus einer atomar dicken zweidimensionalen Struktur, und durch die Auswahl von Atomen mit geeigneten Kernspins konnte die gewünschte Anordnung erreicht werden. Der vielversprechendste Kandidat ist Phosphoren wegen seiner optischen Transparenz im gewünschten Spektralbereich und wegen des höheren magnetischen Moments von 31P mit Kernspin 1/2, mit 100 % natürliche Häufigkeit. Allerdings ist dieses Material unter normalen Bedingungen instabil, was uns dazu veranlasste, ein konfokales Mikroskop in einer Glovebox zu entwickeln, um Experimente unter kontrollierter Gasatmosphäre und Feuchtigkeit durchzuführen. Die Phosphor Flakes auf der Diamantoberfläche waren stabil, aber das mit den NVs entdeckte NMR-Signal hatte einen anderen Ursprung. Weitere Untersuchungen ergaben, dass das Signal von den NVs selbst stammte (oft als mehrdeutige Resonanzen bezeichnet) und reproduzierbar simuliert werden konnte. Wir haben eine Datenbank mit unseren Simulationen erstellt, die öffentlich zugänglich ist, um anderen Forschern bei der Erklärung ihrer Daten zu helfen. Ein weiteres interessantes Ergebnis dieser Experimente war, dass die NV-Zentren in der Stickstoffgasumgebung instabil wurden und nach wenigen Stunden untersucht werden konnten. Dies war sehr überraschend, da der gegenteilige Effekt erwartet wurde und dieses Problem derzeit noch untersucht wird. Ein weiterer Ansatz, den wir versucht haben, war die Herstellung eines NV-Ensembles durch Nanostrukturierung von Diamantkristallen. Die daraus resultierenden Nanosäulen erhöhten die Photonensammeleffizienz um den Faktor 2,5, aber die Kohärenzzeit der Elektronenspins der NVs war zu kurz für Quantensimulatoranwendungen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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