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Promotionsprojekte
© Tim Althuon

Mecha­ni­sche Manipu­la­tion moleku­la­rer Spins in CNT Resonatoren

Tim Althuon – Hector Fellow Wolfgang Wernsdorfer

Carbon-Nanotube (CNT) Resona­to­ren werden designt und herge­stellt, um deren Eigen­schaf­ten als Sensor zu nutzen. Wir werden einen Einzel­mo­le­kül­ma­gne­ten (SMM) auf einem CNT-Resona­tor aufbrin­gen, um dessen Spinzu­stände über die mecha­ni­schen Oszil­la­tio­nen im CNT zu verän­dern. Mit diesem nanome­cha­ni­schen Ansatz lassen sich Einzel­mo­le­kül­ma­gnete unter­su­chen mit der Möglich­keit, diese in zukünf­ti­gen Quanten­tech­no­lo­gien einzusetzen.

Die Reali­sie­rung eines funktio­na­len Quanten­com­pu­ters ist eines der ehrgei­zigs­ten techno­lo­gi­schen Ziele unseres Jahrhun­derts. Eine der größten Heraus­for­de­run­gen liegt darin, Quanten­sys­teme zu finden, die hinrei­chend von der Umgebung isoliert sind, aber gleich­zei­tig leicht zugäng­lich bleiben. Als vielver­spre­chen­der Kandi­dat sind Einzel­mo­le­kül­ma­gnete (SMMs) Unter­su­chungs­ge­gen­stand dieses Projekts.

Die starke Spin-Phonon-Kopplung zwischen moleku­la­ren Spins und den mecha­ni­schen Schwin­gun­gen in Carbon-Nanotube (CNT) Resona­to­ren wird ausge­nutzt, um kohärente Manipu­la­tio­nen von Kernspin­zu­stän­den der moleku­la­ren Magnete durch­zu­füh­ren. Der Grund­auf­bau (vgl. Abbil­dung 1) besteht aus einem frei hängen­den CNT, das mit Source- und Drain-Elektro­den kontak­tiert ist und das über mehrere kapazi­tiv gekop­pelte Gate-Elektro­den zu mecha­ni­schen Schwin­gun­gen angeregt werden kann. Ein SMM kann dann auf das CNT aufge­bracht werden und unter­sucht werden. Als erstes könnte die direkte elektri­sche Manipu­la­tion moleku­la­rer Spins in CNT-Resona­to­ren studiert werden, wobei durch die mecha­ni­sche Isola­tion vom Substrat lange Relaxa­ti­ons- und Dekohä­renz­zei­ten erwar­tet werden. Als zweites könnten, in Analo­gie zu Cavity-QED Experi­men­ten, in denen der Zustand eines Atoms mit Photo­nen verän­dert wird, moleku­lare Spins mit CNT-Phono­nen manipu­liert und ausge­le­sen werden.

Dieses Projekt adres­siert funda­men­tale physi­ka­li­sche Fragen in Hinsicht auf moleku­la­ren Magne­tis­mus, kann anderer­seits aber auch den ersten Schritt in Richtung molekül­ba­sier­ter Quanten­tech­no­lo­gien legen.

Mechanische Manipulation molekularer Spins in CNT Resonatoren

Abbil­dung 1: Einzel­mo­le­kül­ma­gnet (roter Pfeil: Magne­ti­sie­rungs­achse) aufge­bracht auf frei hängen­dem CNT. V_SD: angelegte Spannung zwischen Source und Drain, V_G1,...,V_G5: angelegte Spannung an Gate-Elektro­den 1 bis 5, I: zu messen­der Strom durch CNT.

Tim Althuon

Karls­ru­her Insti­tut für Technologie
   

Betreut durch

Prof. Dr.

Wolfgang Werns­dor­fer

Physik & Chemie

Hector Fellow seit 2019Disziplinen Wolfgang Wernsdorfer