Hilbert-Raum Engineering in 4f-Einzelmolekülmagneten auf Supraleitern

• Antragsteller: Professor Dr. Mario Ruben; Professor Dr. Wulf Wulfhekel
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 492084401

Der Spin magnetischer Ionen eignet sich hervorragend als Quanten-Bits (qubits). Insbesondere, habe 4f Ionen in magnetischen Molekülen (SMMs) bei tiefen Temperaturen haben sehr lange Relaxationszeiten in der Größenordnung von Stunden gezeigt. In elektronischen Schaltkreisen ist es notwendig, den elektronischen Spin zum Lesen oder Schreiben an die Leitungselektronen der Zuleitungen zu koppen. Die Wechselwirkung mit dem Elektronengas führt aber zu erhöhter Relaxation, Dekohärenz oder sogar dem Kondo Effekt. Kürzlich rückt die Rolle der Symmetrie des Kristallfeldes und der Hyperfeinwechselwirkung der 4f Ionen immer mehr in das Zentrum des Interesses bezüglich ihrer Rolle zur Stabilisierung der Quanteninformation. In diesem Projekt streben wir an, den nächsten logischen Schritt zu nehmen und nicht nur Relaxation zu unterdrücken, sondern auch die Kohärenzzeit zu steigern. Dazu werden wir isotropen-reinemetall-organische Moleküle mit 4f Ionen in Ligandenfeldern mit mindestens vierfacher Symmetrie designen und synthetisieren, die zum Schutz der Spins optimiert sind und werden diese auf supraleitende Oberflächen untersuchen. Die Symmetrie des Kristallfeldes wird genutzt, um den Hilbert-Raum zu so zu designen, dass die Grundzustände von Spin-Flip Übergängen geschützt sind. Zusätzlich erlaubt die Energielücke des Supraleiters eine Entkopplung vom Elektronengas auf niedriger Energieskala. In einem ersten Schritt wird die Relaxationszeit mittels statistischem Schalten der Spins in spin-polarisierten Rastertunnelmikroskopie-Experimenten bei 25 mK untersucht. Übergänge getrieben durch die Hyperfeinwechselwirkung treten dort bei spezifischen Magnetfeldern auf. Kohärenzzeiten werden mittels Kopplung zweier Spins und das Erscheinen von Rabi Oszillationen gemessen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr. Hongyan Chen; Dr. Asato Mizuno