Rastersondenmikroskop mit Oberflächenpräparation zur Spektroskopie von einzelnen Quantenanregungen

• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung in 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452252874

Die Miniaturisierung elektronischer Bauelemente erreicht jetzt Bereiche, in denen Quantenphysik und Vielteilcheneffekte relevant werden. Die Reduktion der Dimensionen von Materialien geht meist mit dem Auftreten exotischer, elektronischer Effekte einher, die von starken Fluktuationen auf Zeitskalen von Femto- bis Pikosekunden und auf typischen Längenskalen weniger Nanometer geprägt sind. Materialeigenschaften werden dann wesentlich durch die Wechselwirkung von Elektronen miteinander und mit Gitterschwingungen bestimmt. Ein mikroskopisches Verständnis für viele dieser Phänomene fehlt. Um experimentellen Zugang zu erlangen, ist es nötig, ein neuartiges Rastersondenmikroskopsystem zu schaffen, das Quantenanregungen mit atomarer Ortsauflöung und Pikosekunden Zeitauflösung messen kann: ein Quantenanregungsmikroskop.Dazu soll Rasterkraftmikroskopie und optische Rasternahfeldmikroskopie mit ultraschnellen elektronischen und optischen Pump-Probe Verfahren kombiniert werden. Damit werden zeitabhängige Fluktuationen komplementärer Messgrößen (Ladungsverteilung, magnetische Ordnung, dielektrische Polarisation, sowie das Energiespektrum von elektronischen, phononischen und magnetischen Anregungen) im Ortsraum zugänglich. Die umfassende Charakterisierung dieser Eigenschaften auf derselben Oberfläche wird es ermöglichen, bisher nicht zugängliche Phänomene der Festkörperphysik zu erforschen. Das Quantenanregungsmikroskop wird es unter anderem ermöglichen, Metall-Isolator-Übergänge und deren charakteristische Fluktuationen in korrelierten Elektronensystemen abzubilden. Durch Defekte und Dotieratome soll die Dynamik dieser Phasenübergänge gezielt ortsabhängig manipuliert werden.Ziel der Forschungsarbeiten ist es, atomar strukturierte Materialien zu erzeugen, und die ultraschnelle Dynamik von einzelnen Quantenanregungen der Elektronen und Gitterschwingungen in diesen Strukturen zeitlich und räumlich aufzulösen. Die einzigartige Kombination aus ultraschneller Rasterkraftmikroskopie und spitzenverstärkter Ramanspektroskopie wird genutzt, um neuartige Quantensensoren aus atomar definierten Strukturen auf Oberflächen zu konstruieren. Dabei werden prototypische Sensorikanwendungen zur Detektion von nanoskaligen magnetischen und elektrischen Feldern und Gitterverzerrungen entwickelt. Die Verbindung von energieauflösender Anregungsspektroskopie und zeitauflösender Pump-Probe Spektroskopie wird eingesetzt werden, um quantenmechanische Verschränkung von Spin- oder Ladungsanregungen auf Oberflächen nachzuweisen. Dabei werden insbesondere die wichtigen Fragen, wie verschränkte Zustände durch ausgedehnte atomare und molekulare Netzwerke propagieren, und wie Dekohärenz unterdrückt werden kann, adressiert. Ziel dieses Vorhabens ist es, funktionelle Oberflächen zu entwickeln auf denen Spin- und Ladungszustände mit langen Kohärenzzeiten existieren können, und dann einzelne atomare Strukturen per Atommanipulation zu erzeugen, die verschränkte Zustände ausbilden.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Zeitauflösendes Rastersondenmikroskop mit Oberflächenpräparation
• Gerätegruppe: 5091 Rasterkraft-Mikroskope
• Antragstellende Institution: Universität Stuttgart
• Leiter: Professor Dr. Sebastian Loth