Quantenkohärente Kontrolle atomarer und molekularer Spins auf Oberflächen

• Antragsteller: Professor Dr. Philip Willke
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 440339959

Die quantenmechanischen Eigenschaften eines physikalischen Systems ergeben sich oft aus seinen Grundbausteinen und erfordern ein grundlegendes Verständnis, um dessen Vorteile für Quanten-Devices nutzen zu können. Hierfür erfordert es die Kenntnis und Kontrolle der atomaren Umgebung eines Quantenobjekts, um es vor Dekohärenz und Energietransfer zu schützen. Rastersondenmethoden sind in der Lage, Quantensysteme wie einzelne Atome und Moleküle auf mikroskopischer Skala aufzulösen. Bis jetzt erlauben sie es jedoch nicht gleichzeitig die kohärenten Eigenschaften eines Quantenobjekts zu beeinflussen, wie dies in anderen Architekturen üblich ist.In diesem Forschungsvorhaben möchte ich eine Quanten-kohärente Kontrolle einzelner Atome und Moleküle auf Oberflächen erreichen, basierend auf der kürzlich realisierten Technik der Elektronenspinresonanz-Rastertunnelmikroskopie. Das Hauptziel ist es, eine neue Festkörperarchitektur für magnetische Sensorik und Quanteninformationsverarbeitung auf atomarer Ebene zu etablieren. Ich möchte dies durch i) eine verbesserte Instrumentierung, ii) neue Spin-Systeme auf atomarer Ebene und iii) neue experimentelle Methoden wie gepulste Elektronen- und Kernspinresonanzen einzelner Atome erreichen. Zur Verbesserung der Instrumentierung werde ich ein Rastertunnelmikroskop in einen kompakten Dilution Refrigerator integrieren, ein Design, das an der Gastinstitution in der Gruppe von Wolfgang Wernsdorfer einzigartig ist. Weiterhin möchte ich ein grundlegendes Verständnis der Relaxations- und Dekohärenzdynamik von Elektronen- und Kernspins einzelner Atome auf Oberflächen erlangen. Darüber hinaus plane ich, einzelne molekulare Magnete als Kandidaten für nanoskalige Sensoren zu untersuchen. Diese werde ich nutzen um den Magnetismus in Festkörpersystemen zu untersuchen. Basierend auf den Ergebnissen und Verbesserungen in den vorhergehenden Abschnitten möchte ich mich letztlich der Verarbeitung von Quanteninformationen zuwenden und Quantenlogikoperationen sowie Quantenverschränkungen auf einzelnen Atom- und Molekülspins etablieren.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: Cold Head Cryogenfree ; RF generator (analog, 40GHz) ; STM system
• Gerätegruppe: 5091 Rasterkraft-Mikroskope ; 6300 Meßgeneratoren, Meßsender, Frequenznormale ; 8520 Kryostaten, Tauchkühler (bis -100 Grd C)