Die Quanten-Nanowissenschaft ist ein neuartiges Forschungsgebiet, in dem Quanteneffekte wie Quantenzustandsüberlagerung, Verschränkung und Kohärenz in Systemen im Nanomaßstab untersucht werden. Kohärente Quanteneffekte auf der Nanoskala sind relativ unerforscht. Daher widmet sich ein Großteil der Quanten-Nanowissenschaft derzeit dem Verständnis der Mechanismen der Dekohärenz mit dem Ziel, die Kohärenz zu erhalten und zu maximieren. Letztendlich wird dies zur Entwicklung von Nanostrukturen führen, die für neu entstehende Anwendungen genutzt werden können. Quantentechnologien , wie Quantencomputing, Quantenkommunikation und Quantensensorik. Diese Quantentechnologien treiben die sogenannte zweite Quantenrevolution.
Während die Quanten-Nanowissenschaft eine Brücke zwischen Quantenmaterialien und Quantentechnologien spielt sie auch eine noch tiefgreifendere Rolle. Künstliche Materiesysteme im Nanomaßstab mit künstlichen Quantenzuständen lassen sich nicht nur in Ionenfallen und ultrakalten atomaren Gasen, sondern auch an Oberflächen kondensierter Materie realisieren. Obwohl diese künstlichen Nanostrukturen an der Oberfläche eines Materials als Vorlage hergestellt werden, gehen sie über das Konzept eines kristallinen Materials hinaus: Es handelt sich um metastabile Strukturen, die durch die Anordnung der Bausteine (Atome, Moleküle, 1D-Drähte, 2D-Schichten) in genau definierten Positionen hergestellt werden. Solche entworfenen und hergestellten künstlichen Strukturen sind eine nahezu universelle Spielwiese, auf der Konzepte der Quantentechnologie erforscht und genutzt werden können, ohne durch die Existenz und Stabilität geeigneter Materialien eingeschränkt zu sein.
Wir kommen aus der traditionellen Nanowissenschaft (funktionale Nanostrukturen an Oberflächen") und nutzen unser umfangreiches Wissen in der Oberflächen- und Nanowissenschaft, um einen Beitrag zur Quanten-Nanowissenschaft und ihrem Hauptziel zu leisten: der Manipulation und Nutzung quantenkohärenter Funktionalität in Nanostrukturen.
Insbesondere unser Profil als Institut für Oberflächenwissenschaften mit einem starken Schwerpunkt auf der Rastersondenmikroskopie sowie auf der Entwicklung von Methoden und Instrumenten versetzt uns in eine hervorragende Position, um jede der vier Säulen der Quantennanowissenschaft anzugehen:
- Erforschung der Quantenhaftigkeit: Wir nutzen die experimentelle Plattform der Rastersondenmikroskopie (SPM) bei niedrigen Temperaturen, um die Quantenkohärenz oder allgemeiner die Quantenhaftigkeit in verschiedenen Nanostrukturen auf atomaren Längenskalen und im Zeitbereich zu untersuchen.
- Materialien: Wir untersuchen die Grenzflächen zwischen Materialien, die Quantenfunktionalität verleihen, wie topologische Isolatoren, Supraleiter oder Ferromagnete.
- Werkzeuge: Wir entwickeln neuartige Instrumente und Mikroskope, die Zugang zu den quantenkohärenten Funktionalitäten von Nanostrukturen bieten. Beispiele sind die Jülicher Multi-Tip SPMs, das Jülicher Millikelvin SPM und die Raster-Quantenpunktmikroskopie.
- Bauelemente: Wir stellen Modellbauelemente als metastabile künstliche Strukturen mit gezielt hergestellten Quantenzuständen her und untersuchen sie, zum Teil unter Einsatz künstlicher Intelligenz.
Zweite Quantenrevolution
Die erste Quantenrevolution, die zu Beginn des 20. Jahrhunderts stattfand, enthüllte die Regeln, die die physikalische Realität bestimmen. In dieser Zeit wurden die Grundlagen der Quantenmechanik gelegt. In den über 100 Jahren, die seitdem vergangen sind, wurde die Quantenmechanik in vielen Forschungsbereichen angewandt, von denen die Physik der kondensierten Materie, einschließlich Molekülen, Festkörpern, Oberflächen und Grenzflächen, besonders wichtig ist. Die profunde Beschreibung von Festkörpermaterialien sowie von Oberflächen- und Grenzflächenphänomenen führte zu mehreren Technologien, auf denen unsere moderne Lebensweise beruht, allen voran die Informationstechnologie.
Während einige der konstitutiven Eigenschaften der Quantenmechanik, wie z. B. die Diskretion der Zustände, bereits in den heutigen Geräten der Informationstechnologie genutzt werden, werden andere, vor allem Kohärenz und Verschränkung, noch nicht in großem Umfang genutzt. Dies sind jedoch die Merkmale der Quantenmechanik, die sich grundlegend von der klassischen Physik unterscheiden, d. h. ein hohes Maß an "Quantenhaftigkeit" aufweisen und daher das größte Potenzial haben, zu bahnbrechenden Technologien zu führen. Kürzlich hat die wissenschaftliche Gemeinschaft damit begonnen, diese Technologien für die Informationstechnologie zu nutzen, und weil die sich daraus ergebenden Implikationen so folgenreich sind, wird dies oft als die zweite Quantenrevolution bezeichnet (Jonathan P. Dowling and Gerard J. Milburn, Quantum Technology: The second quantum revolution).
Quanten-Technologie
Im Zuge der zweiten Quantenrevolution werden wir lernen, die Überlagerung, Kohärenz und Verschränkung von Quantenzuständen zu nutzen, um neue bahnbrechende Informationstechnologien zu entwickeln, insbesondere Quantencomputer, Quantenkommunikation und Quantensensorik.
Seit der ersten Quantenrevolution kennen Wissenschaftler die Regeln der Quantenmechanik und haben Geräte gebaut, die diesen Regeln folgen, was zu Erfindungen wie dem Laser und dem Transistor führte. Im Gegensatz dazu wird bei den neuen Quantentechnologien das Systemverhalten komplexer quantenmechanischer Systeme für einen bestimmten Zweck konstruiert. Die Quantentechnologie ermöglicht es uns also, die Komponenten eines komplexen Systems, das den Gesetzen der Quantenphysik unterliegt, willentlich zu organisieren und zu kontrollieren und dabei die Quantennatur der zugrunde liegenden Zustände voll auszunutzen. Dabei kann es sich um höchst unnatürliche kohärente oder verschränkte Quantenzustände handeln, die wir selbst entworfen haben und die wahrscheinlich nirgendwo sonst im Universum existieren. Diese neuen, von Menschenhand geschaffenen Quantenzustände haben neuartige Eigenschaften wie Empfindlichkeit und nichtlokale Korrelation, die bei der Entwicklung von Computern, Kommunikationssystemen, Sensoren und kompakten messtechnischen Geräten breite Anwendung finden.
Obwohl die Quantenmechanik als Wissenschaft schon seit langem ausgereift ist, entwickelt sich die Quantentechnologie nun zu einer eigenständigen Technologie. Obwohl es sich bei den Quantentechnologien um Technologien handelt, bleiben sie so nah am Kern der modernen Physik, dass die Forschung im Bereich der Quantentechnologien noch viele Jahre lang die Perfektionierung und in einigen Fällen sogar die erstmalige Durchführung grundlegender Experimente der Quantenphysik erfordern wird. Dies gilt für die Bereiche der Quantenmaterialien und insbesondere für die Quanten-Nanowissenschaften.
Quanten-Materialien
Einige der Ansätze zur Quantentechnologie verwenden hochgradig künstliche Materiesysteme wie ultrakalte Atome oder Ionen in Fallen oder sogar Photonen. Andere Ansätze beruhen auf kondensierter Materie, d. h. die relevanten Quantenzustände liegen in Materialien vor. Viele der für die Quantentechnologie relevanten Materialien werden gemeinhin als Quantenmaterialien bezeichnet - Materialien mit emergenten Phänomenen, die sich aus der Elektronenkorrelation und/oder nichttrivialen Topologien ihrer Wellenfunktionen ergeben. Eine starke Korrelation des Elektrons führt zur Entstehung konzeptionell neuer Quantenzustände, und nicht-triviale Topologien der Wellenfunktionen können die außergewöhnliche Stabilität solcher Zustände garantieren. Es liegt auf der Hand, dass beide Eigenschaften, insbesondere in Kombination, sehr interessant sind, wenn es darum geht, Funktionalitäten für die Quantentechnologie zu entwickeln.