Entwick­lung kovalen­ter quanten­me­cha­ni­scher Modellsysteme

Das Projekt entwi­ckelt kovalent verknüpfte Porphyrin‑Spin‑Ketten auf ultra­dün­nen Isola­to­ren, um Designer‑Quanten‑Modellsysteme zu reali­sie­ren. Durch die Kombi­na­tion von Low‑Energy‑Electrospray/Ion‑Beam‑Deposition (LEIBD) mit ESR‑STM werden massen­se­lek­tierte Metall‑Tetraphenyl‑Porphyrin‑Fragmente gezielt auf MgO/Ag(100) bzw. NaCl/Au(111) abgeschie­den und zu Dimeren bzw. kurzen 1‑D‑Arrays (2–6 Einhei­ten) zusam­men­ge­fügt. Site‑resolved Spectro­sko­pie liefert g‑Faktor, Austausch‑ und Dipol‑Kopplungen; mittels gepuls­ter ESR (Rabi, Ramsey, Echo) wird die kohärente Kontrolle der emergen­ten Spin‑Hamiltonian demons­triert. Das Vorha­ben verbin­det chemi­sche Präzi­sion mit langer Spin‑Koherenz und schafft eine allge­mein anwend­bare Platt­form für moleku­lare Quantensimulatoren.

Das Projekt zielt darauf ab, kovalent verknüpfte Porphyrin‑Spin‑Ketten auf ultra­dün­nen Isola­to­ren zu erzeu­gen und damit Designer‑Quanten‑Modellsysteme zu reali­sie­ren. Auf herkömm­li­chen Metall­ober­flä­chen wie Au(111) können atomar präzise Spin‑Lattices durch on‑surface‑Synthese gebaut werden, doch die starke Hybri­di­sie­rung mit den Metall‑Elektronen verkürzt die Spin‑Lebenszeiten drastisch. Dünne Isola­tor­schich­ten wie MgO/Ag(100) oder NaCl/Au(111) entkop­peln die Spins von den Leitern und ermög­li­chen ESR‑STM mit MHz‑Linienbreiten, jedoch lassen sie die metal‑katalysierten Kopplungs­re­ak­tio­nen, die für lange Struk­tu­ren nötig sind, nicht zu. Die zentrale Heraus­for­de­rung besteht daher darin, chemisch definierte, kovalente Spin‑Ketten zu erzeu­gen, die gleich­zei­tig auf einer decou­ple­nden Oberflä­che liegen und lange Kohärenz­zei­ten besitzen.

Im ersten Arbeits­schritt wird die massen­se­lek­tive Soft‑Landing‑Methode (LEIBD) einge­setzt. Metall‑Tetraphenyl‑Porphyrine, beispiels­weise FeTPP, werden entwe­der per Elektronen‑Impact‑Ionisation (EI) oder Electrospray‑Ionisation (ESI) ionisiert, massen­se­lek­tiert und mit niedri­gen Aufprall­en­er­gien auf die Insulator‑Filme abgeschie­den. Durch syste­ma­ti­sches Variie­ren von Aufprall­en­er­gie, Substrat‑Temperatur und Nach‑Annealing wird ein Ertrags‑Diagramm für Dimere und Ketten erstellt. Paral­lel wird ein Referenz‑Set intak­ter FeTPP‑Moleküle thermisch evapo­riert, um ihre Adsorp­ti­ons­geo­me­trie, elektro­ni­schen Zustände und Einzel‑Spin‑Eigenschaften zu charak­te­ri­sie­ren. Diese Referenz­da­ten dienen als Bench­mark für die späte­ren, verbun­de­nen Systeme.

Die spin‑sensible Charak­te­ri­sie­rung erfolgt mit ESR‑STM. Dabei werden g‑Faktor, Zero‑Field‑Splitting sowie Austausch‑ und Dipol­kop­peln zwischen benach­bar­ten Porphy­ri­nen ermit­telt. Pulsierte Mikrowellen‑Sequenzen (Rabi‑, Ramsey‑ und Hahn‑Echo‑Pulses) ermög­li­chen die Bestim­mung von T₁‑ und T₂‑Zeiten und die Umset­zung quanten­lo­gi­scher Opera­tio­nen, wodurch die kohärente Kontrolle des emergen­ten Spin‑Hamiltonians demons­triert wird. Ergän­zend werden die experi­men­tel­len Ergeb­nisse durch exakte Diago­na­li­sie­rung von Heisenberg‑Modellen theore­tisch beschrie­ben; so können Vorher­sa­gen für Edge‑States und Magnon‑/Spinon‑Bänder geprüft werden.

Die Arbeit ist in drei Work‑Packages geglie­dert. Das erste (WP 1, Leitung Willke) liefert eine umfas­sende Referenz­da­ten­bank für intakte FeTPP auf Metall‑ und Isolator‑Oberflächen, inklu­sive STS, IETS und CW‑ESR‑Messungen. Das zweite (WP 2, Leitung Kappes) optimiert die LEIBD‑Parameter, erstellt quanti­ta­tive Yield‑Karten für offene‑End‑Porphyrin‑Fragmente und analy­siert struk­tu­rell die resul­tie­ren­den Dimere und Ketten auf HOPG, Au(111) sowie den abschlie­ßen­den MgO/Ag‑ und NaCl/Au‑Filmen. Das dritte Paket (WP 3, gemein­sa­mes Team) kümmert sich um den UHV‑Transfer zwischen den Laboren, führt site‑resolved ESR‑STM an den gekop­pel­ten Syste­men durch und rekon­stru­iert die zugrunde liegen­den Spin‑Hamiltonianen, um emergente Quanten­phä­no­mene zu identifizieren.

Vorar­bei­ten belegen die Machbar­keit: Willke hat bereits ESR‑STM an einzel­nen Transition‑Metall‑Ionen und an moleku­la­ren Spin‑Zentren (z. B. Fe‑Phthalocyanin) demons­triert, inklu­sive Rabi‑ und Hahn‑Echo‑Messungen. Kappes hat mit LEIBD massen­se­lek­tive Ablage­run­gen von Fulleren‑Fragmenten und Metall‑Porphyrinen auf verschie­de­nen Substra­ten reali­siert und die chemi­sche Reinheit mittels MS‑TDS und XPS bestätigt.

Der erwar­tete Impact ist vielschich­tig. Die Kombi­na­tion von massen­se­lek­ti­ver Ion‑Soft‑Landing und ESR‑STM stellt einen metho­di­schen Durch­bruch dar, der bislang an keinem Stand­ort verfüg­bar ist. Sie liefert eine modulare Platt­form, auf der belie­bige moleku­lare Bausteine mit kontrol­lier­ter Spin‑Kopplung angeord­net werden können, und ist prinzi­pi­ell auf größere Biomo­le­küle (z. B. Metall‑Proteine) übertrag­bar. Langfris­tig entsteht ein offener Werkzeug­kas­ten für die Forschungs­ge­mein­schaft, der Grund­la­gen­for­schung, Quanten‑Information und Sensing‑Anwendungen mitein­an­der verknüpft und damit die Basis für die nächste Genera­tion moleku­la­rer Quanten­si­mu­la­to­ren bildet.