Nichtinvasive Bildgebung und kohärente Kontrolle von oberflächengestützten Spins mit hoher Genauigkeit

• Antragstellerin: Dr. Aparajita Singha, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 504973613

Die Kontrolle einzelner Atome und Moleküle an ihrer ursprünglichen räumlich-zeitlichen Grenze hat eine unverzichtbare Anziehungskraft, die die Grundlagenforschung seit Jahrzehnten antreibt. Wechselwirkungen und Korrelationen auf atomarer Ebene sind auch die Grundlage für alle zeitlosen technologischen Fortschritte, von der Nanoelektronik bis zur Informationsverarbeitung. Insbesondere für Quantenbits im Nanomaßstab, die aus einzelnen Lanthanid-Atomen und -Molekülen bestehen, hat sich in letzter Zeit ein neuer attraktiver Weg aufgetan. Das große magnetische Moment, die nicht-trivialen intra- und interatomaren Elektronenkorrelationen und die Langzeit-Quantenkohärenz in diesen Modellsystemen bieten insgesamt eine Vielzahl neuer, aufregender Möglichkeiten für die Erforschung von molekularem Magnetismus und Quantencomputern. Mein derzeitiges wissenschaftliches Bestreben ist es, die quantenmechanischen Eigenschaften dieser kleinsten Bausteine der Materie zu verstehen und zu kontrollieren, insbesondere durch möglichst wenig invasive Untersuchungen. Die Untersuchung der Spinzustände in solchen Quantensystemen ist jedoch eine äußerst schwierige Aufgabe. Bisher ist nur die Rastertunnelmikroskopie (STM) mit subatomarer räumlicher Auflösung in der Lage, dies zu erreichen, auch wenn sie sehr invasiv und in Bezug auf die Betriebstemperatur (<4 K) begrenzt ist. Die Rasterkraftmikroskopie (AFM), bei der neuartige Defektzentren in Diamant (NV) verwendet werden, hat das Potenzial, diese Einschränkungen zu überwinden, da sie eine unvergleichliche magnetische Sensorfähigkeit, eine hochgenaue optische Auslesung und einen breiten Betriebstemperaturbereich aufweist. Allerdings leidet diese Methode derzeit unter einem unzureichenden Auflösungsvermögen (einige zehn Nanometer), das in erster Linie auf die Fluoreszenzabschwächung in den so genannten flachen NV-Zentren zurückzuführen ist. Durch die Kombination von kontrollierter Oberflächenchemie mit AFM-basierten Manipulationstechniken möchte ich dieses Problem lösen, um einen hochempfindlichen und dennoch nicht-invasiven Zugang und eine Quantenkontrolle auf atomarer Ebene zu erreichen. Das vorgeschlagene Programm soll die derzeitigen Möglichkeiten der STM in diesem Zusammenhang übertreffen und gleichzeitig die Möglichkeiten der scannenden NV-Magnetometrie für die Untersuchung von Festkörper-Spinsystemen verallgemeinern. Mit diesem Programm werde ich Quantenarchitekturen auf atomarer Ebene anstreben, die aus Lanthanid-Einzelspins bestehen, die entweder adsorbiert oder als künstliches 2D-Gitter eingebettet sind, um stabile Qubit-Arrays bei Raumtemperatur zu erreichen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: First UHV sample manipulator, one for each setup ; Second UHV sample manipulator, one for each setup
• Gerätegruppe: 8180 Vakuumbauteile, Rezipienten, Dampfsperren