Entwick­lung kovalen­ter quanten­me­cha­ni­scher Modellsysteme

Das Projekt entwi­ckelt kovalent verknüpfte Porphy­rin Spin Ketten auf ultra­dün­nen Isola­to­ren, um Designer Quanten Modell­sys­teme zu reali­sie­ren. Mit Low‑Energy‑Electrospray‑Ion‑Beam‑Deposition (LEIBD) werden massen­se­lek­tierte Metall‑Tetraphenyl‑Porphyrin‑Fragmente gezielt auf MgO/Ag(100) bzw. NaCl/Au(111) abgeschie­den und zu kurzen 1‑D‑Ketten (2–6 Einhei­ten) verbun­den. Durch ESR‑STM und gepulste ESR‑Techniken (Rabi, Ramsey, Echo) werden g‑Faktor, Austausch‑ und Dipol‑Kopplungen bestimmt und die Spins kohärent gesteu­ert, wodurch eine vielsei­tige Platt­form für moleku­lare Quanten­si­mu­la­to­ren entsteht.

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.

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.