Im PGI-3 nutzen wir unseren Hintergrund in der Oberflächen- und Nanowissenschaft, um das Hauptziel der Quanten-Nanowissenschaft zu verfolgen: die Manipulation und Nutzung quantenkohärenter Funktionalität in Nanostrukturen. Unsere Forschung trägt somit zu den Grundlagen neuer Quantentechnologien bei, insbesondere zur Quantensensorik und zum Quantencomputing auf der Nanoskala. Sie reicht von der Entwicklung neuer Instrumente über die Herstellung und Untersuchung von Quantenmaterialien, Nanostrukturen und Nanogeräten bis hin zu grundlegenden Experimenten, die die Gesetze der Quantenmechanik in bisher unerforschten Bereichen erkunden.
Ein aktuelles Highlight im Bereich der neuen Instrumente ist das Jülicher Quantenmikroskop, ein Ultrahochvakuum-Rastersondenmikroskop (SPM), das eine Basistemperatur von 30 mK erreicht. Es arbeitet mit adiabatischer Entmagnetisierungskühlung (ADR), die mehrere Vorteile bietet: einfache und ultrapräzise Temperaturregelung, keine zirkulierenden Flüssigkeiten, vibrationsfreie Umgebung, extrem niedrige Geräuschpegel, Modularität zur schnellen und einfachen Anpassung an neue Rastersondenmethoden. Dieses einzigartige Instrument soll zukünftig vermarktet werden.
Auf dem Gebiet der Quantenmaterialien untersuchen wir Heterostrukturen aus zweidimensionalen van-der-Waals-Materialien (vdW-Materialien), die von isolierend bis supraleitend und magnetisch reichen. Wir haben unsere Herstellungstechniken so weit verbessert, dass - was für die Rastertunnelmikroskopie (STM) sehr wichtig ist - jetzt eine vollständige in-situ-Präparation der luftempfindlichen Materialien möglich ist, wobei atomar saubere Oberflächen und Grenzflächen erhalten bleiben. Unser besonderes Interesse gilt den Proximity-, Twisting- und Moiré-Effekten, der topologischen Supraleitung und dem lokalen Transport in topologisch geschützten Quanten-Spin-Hall-Kantenzuständen, die wir in Transportexperimenten mit mehreren Spitzen im Nanobereich nachweisen wollen. Unser ultimatives Ziel ist die Realisierung, Untersuchung und Manipulation von Majorana-Zuständen in diesen Designermaterialien.
Auf einer anderen Linie haben wir einen umfassenden konzeptionellen Rahmen für die Manipulation einzelner Moleküle mit Rastersondenmikroskopen entwickelt. Es basiert auf der Formulierung des Manipulationsproblems als Markov-Entscheidungsprozess (MDP). Dies ermöglicht uns, noch nie dagewesene Nanostrukturen auf einer Oberfläche oder an der Spitze eines SPM zu erzeugen. Seine Möglichkeiten reichen von der manuellen Steuerung des Moleküls mit Echtzeit-Konfigurationsüberwachung (auf der Grundlage eines maschinell erlernten Modells der Verbindungsstelle) in einer Virtual-Reality-Umgebung bis hin zur autonomen molekularen Nanofabrikation.
Eine weitere Errungenschaft ist die Entwicklung von Quantengeräten im atomaren Maßstab an den Spitzen von Rastertunnel- oder Rasterkraftmikroskopen. Diese Bauelemente werden von unten nach oben durch molekulare Manipulation aus einzelnen Atomen und Molekülen hergestellt. Auf der Grundlage dieser Bauelemente haben wir neuartige, quantitative Rastersondenmikroskope eingeführt, wie z. B. die scanning quantum dot microscopy (SQDM), die wir jetzt zur Untersuchung von Quantenmaterialien einsetzen. Ein sehr aktueller Durchbruch in diesem Zusammenhang ist die Entwicklung eines vollständig integrierten und mobilen Quantensensors an der Spitze eines STM, der durch Einzelspin-Elektronenspinresonanz (ESR) adressierbar ist und gleichzeitig eine räumliche Auflösung von unter Ångström bietet. Es ermöglicht nicht nur die Magnetresonanztomographie (MRT) von nahezu jedem Quantenmaterial, sondern kann auch als kohärent steuerbares Qubit dienen. Als solches kann es als Initialisierungs- und Ausleseeinheit in oberflächenbasierten Quantensimulatoren sowie als mobiles Qubit in Multi-Qubit-Arrays verwendet werden.
Ein Schwerpunkt unserer Bemühungen, die Gesetze der Quantenmechanik in bisher unerforschten Bereichen zu erforschen, ist das Projekt Orbital Cinema, in dem wir die Orbitaldynamik von Elektronen auf ihren intrinsischen Zeitskalen bis hinunter zu Attosekunden auflösen wollen. Die Orbitalkinematographie kombiniert die Lichtwellenelektronik mit der Photoemissions-Orbital-Tomographie, die wir in den letzten 15 Jahren zusammen mit unseren Mitarbeitern Michael G. Ramsey und Peter Puschnig an der Universität Graz entwickelt haben und die 3D-Abbildung von Molekülorbitalen ermöglicht. In einem erfolgreichen Proof-of-Principle-Experiment haben wir ein Zwei-Photonen-Photoemissionsexperiment durchgeführt, um Orbitalbilder auf ultraschnellen Zeitskalen zu verfolgen. In Orbital Cinema wollen wir Zeitlupenfilme von molekularen Orbitalen während Ladungstransferprozessen, chemischen Reaktionen an der Oberfläche und von Lichtwellen getriebenen Wellenpaketbewegungen aufnehmen.
Die Forschung der Institutsabteilung wird (bzw. wurde) in jüngster Zeit u.a. durch zwei ERC Grants (Starting Grant von Christian Wagner, Synergy Grant von Stefan Tautz als Koordinator zusammen mit Rupert Huber, Ulrich Höfer und Peter Puschnig), eine Heisenberg-Professur (Markus Ternes) und eine Emmy Noether Young Investigator Group (Felix Lüpke) unterstützt.
Die Institutsabteilung unterhält strategische Partnerschaften mit mehreren weltweit führenden Forschungsgruppen, darunter das IBS Center for Quantum Nanoscience an der Ewha Woman University in Seoul, Südkorea, und das Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy (RUN) an der Universität Regensburg.