Theoretische Untersuchung von Bistabilität und Dekohärenz bei toroidalen magnetischen Molekülen

• Antragsteller: Professor Dr. Jürgen Schnack
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 563482790

Angesichts des möglicherweise großen Potenzials toroidaler magnetischer Moleküle sowohl für Anwendungen in der magnetischen Datenspeicherung als auch für den Einsatz in der Quanteninformatik ist es von größter Bedeutung, einen systematischen Überblick über die Eigenschaften im Hinblick auf typische strukturelle Motive zu erhalten, wie zum Beispiel Dreiecke, Quadrate, Hexagone, sowie im Hinblick auf Variationen der Spin-Quantenzahl sowie typische Terme im Hamilton-Operator. Das Ziel besteht also nicht darin, konkrete Moleküle zu untersuchen, sondern darin, einen großen und mehrdimensionalen Parameterraum nach vielversprechenden Regionen zu durchforsten. Daher möchten wir die folgenden Forschungsziele verfolgen, die als Arbeitspakete 1-4 strukturiert sind. WP1: Eine systematische Untersuchung der Tunnelbarriere für ganzzahlige Gesamtspins sowie des Übergangsmatrixelements für durch transversale Felder induzierte Übergänge soll für geometrische Polygonstrukturen der Größen N = 2, 3, 4 und 6 sowie für Sanduhrstrukturen als Funktion der Spin-Quantenzahl s durchgeführt werden. Der Hamiltonoperator in diesem Stadium soll von minimaler Komplexität sein, das heißt, er soll Heisenberg-Austausch, Einzelion-Easy-Axis-Anisotropie sowie einen Zeeman-Term enthalten. WP2: In einem zweiten Schritt soll der Einfluss anisotroper Hamiltonoperatoren auf die Gütekennzahlen, Tunnelbarriere und Übergangsmatrixelemente, untersucht werden. Anisotrope Beiträge sind typischerweise von dipolarer sowie Dzyaloshinskii-Moriya-Art. Solche Terme brechen auch die Rotationssymmetrien des oben genannten Hamiltonoperators. WP3: Es ist bisher nicht klar, wie perfekte toroidale Strukturen experimentell manipuliert werden können. Daher möchten wir die Chancen abschätzen, Tunnelströme von Rastertunnelmikroskopen, Spin-Transfer-Torque unter erneuter Verwendung von Rastertunnelmikroskopen sowie lokale zeitabhängige elektromagnetische Felder zur Manipulation toroidaler Zustände zu verwenden. WP4: Schließlich planen wir, uns mit Dekohärenz zu befassen. Erneut soll eine systematische Untersuchung der Dekohärenzeigenschaften toroidaler magnetischer Moleküle im Hinblick auf die oben genannten Parameter durchgeführt werden. Wir sind besonders an den ungewöhnlich langen Dekohärenzzeiten für bestimmte Superpositionen interessiert. Weiterhin müssen wir die Machbarkeit in EPR-Experimenten abschätzen, das heißt, ob die gewünschten Superpositionen überhaupt durch Dipolübergänge erzeugt werden können. Wir hoffen, dass unsere Untersuchungen experimentelle Forschungen anregen können, die sich mit toroidalen magnetischen Molekülen für die geplanten Anwendungen in Quantengeräten befassen. Zu diesem Zweck haben wir vereinbart, geeignete magnetische Moleküle entsprechend unserer theoretischen Vorhersagen zu untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen