Forschungszusammenarbeit: DMREF: NSF-DFG: Prädiktives Design elektro-optischer Materialien von der atomarer Skala bis hin zum Bauelement für quantenphotonische Schaltelemente

• Antragsteller: Professor Dr. Roman Engel-Herbert
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 565900917

Ein zentrales Ziel der Materials Genom Initiative ist es, Materialeigenschaften auf atomarer Ebene vorherzusagen und diese in Technologien zu überführen und nutzbar zu machen. Allerdings gehen viele Materialinnovationen in der Umsetzung verloren: da sie an der „Mesoskalen-Klippe“ scheitern. Das vorgeschlagene Forschungsprojekt konzentriert sich auf die Umschiffung dieser Klippe bei der Entwicklung der nächsten Generation kryogener elektro-optischer (EO) Materialien. EO-Materialien sind essenzielle Bausteine für skalierbare optische Quantencomputer, für On-Chip-Quantencomputer basierend auf Ionenfallen, sowie für Entwicklungen neuer Technologien in der Tieftemperaturphysik. Mit diesen Anwendungen entstehen neue Herausforderungen für diese Materialien: EO-Modulatoren müssen extrem schnell reagieren (5–100 GHz), bei kryogenen Temperaturen (10–20 mK) mit minimalem Energieverbrauch (< pJ/bit) arbeiten und direkt mit Silizium integrierbar sein. Dafür sind Materialien erforderlich, die EO-Koeffizienten von über 1000 pm/V bei tiefer Temperatur aufweisen – mehr als das 30-fache des aktuellen Industriestandards. Zusätzlich müssen sie eine hohe optische Brechzahl und geringe optische Verluste bei Telekom-Wellenlängen besitzen sowie eine niedrige mikrowellen-dielektrische Konstante und geringe Verluste für einen energieeffizienten Betrieb bieten. Komplexe Oxide erscheinen vielversprechend, doch fehlt es an einem grundlegenden Verständnis auf der Mesoskala. Unser multidisziplinäres Team setzt hier an, um mit einer „Atoms-to-Devices“ (A2D) Strategie, die fest im Materials-Genome-Framework verankert ist, das Forschungsfeld weiterzuentwickeln. Er besteht aus drei ineinandergreifenden Komponenten: (1) Dichtefunktionaltheorie-gestützte thermodynamische Theorie der Elektro-Optik, (2) in die Thermodynamik integrierte Phasenfeldsimulationen und (3) ein Phasenfeld-integriertes Elektrodynamik-Simulationspaket. Mit diesem Kombinationsansatz wird eine Brücke zwischen der atomaren Skala und der Mesoskala geschlagen, indem eine moderne thermodynamische Theorie der Elektro-Optik entwickelt wird, um neue Materialien mit überlegenen EO-Eigenschaften vorherzusagen und zu validieren. Zudem sollen komplexe mesoskalige Mikrostrukturen und ihre effektiven EO-Eigenschaften experimentell validiert werden. Phasenfeldmodellierung und Elektrodynamik-Simulationen werden integriert, um einen digitalen Zwilling der EO-Bauelemente deren Leistungsfähigkeit zu simulieren. Umfassende experimentelle Test- und Validierungsstrategien werden zur Anwendung gebracht, die Kristall- und Dünnschichtsynthese betrieben, die Integration der EO Materialien auf Silizium realisiert sowie Struktur und Eigenschaften auf allen relevanten Längenskalen charakterisiert. Mit dem Materials-Genome-Initiative (MGI)-Ansatz sind wir zuversichtlich, einen transformativen Beitrag zur Bewältigung dieser kritischen materialwissenschaftlichen Herausforderung im Bereich der Quantentechnologien zu leisten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Long-Qing Chen; Professor Venkatraman Gopalan; Professor Joshua Young, Ph.D.