Analoge Quantensimulation auf Oberflächen

Wir untersuchen wechselwirkende Vielteilchen-Quantensysteme mit Hilfe von Standard-Spektroskopie-Detektionsverfahren und durch die Konstruktion kontrollierbarer Quantensysteme aus einzelnen Atomen und Molekülen auf Oberflächen als Plattform für die analoge Simulation der Vielteilchen-Systeme.

Bei einer analogen Quantensimulation werden experimentell kontrollierbare Quantensysteme gemessen, um die Eigenschaften eines anderen Quantensystems zu verstehen. Die am weitesten fortgeschrittenen analogen Quantensimulatoren basieren auf ultrakalten Atomen in optischen Gittern und wurden beispielsweise zur Untersuchung des Quantenmagnetismus oder zum Nachweis topologischer Quantenmaterie eingesetzt. Atome und Moleküle auf Oberflächen sind in Verbindung mit den Manipulationsmöglichkeiten von Rastersondenmikroskopen (SPM) eine interessante Alternative für analoge Quantensimulationen von stark korrelierten Systemen. Das zu simulierende Quantensystem kann mit atomarer Präzision aus einzelnen Atomen oder Molekülen hergestellt werden, und die Wechselwirkungsstärke zwischen den Atomen/Molekülen kann durch Anpassung des Abstands zwischen ihnen mit dem SPM eingestellt werden.

Unsere Forschung konzentriert sich auf die Untersuchung des Quantenmagnetismus auf atomarer Ebene. Dazu gehören die Untersuchung von Quantenphasenübergängen in Nanostrukturen [1] sowie die Entwicklung künstlicher Quantenmagnete auf Oberflächen. Dies ermöglicht einen Zugang auf atomarer Ebene zu den Eigenschaften exotischer Quanten-Vielteilchen-Zustände, wie z. B. die Realisierung eines resonierenden Valenzbindungszustands in endlicher Größe [2]. Wir charakterisieren die daraus resultierenden (kollektiven) magnetischen Eigenschaften mit Hilfe von standardmäßigen spektroskopischen, d. h. nicht-resonanten, Nachweisverfahren [1][3][4][5] und der Elektronenspinresonanz (ESR) [2]. In Zukunft werden wir unsere Quantensensoren im atomaren Maßstab auch als Steuer- und Auslesegeräte für die analogen Quantensimulatoren verwenden.

Referenzen

[1] T. Esat, B. Lechtenberg, T. Deilmann, C. Wagner, P. Krüger, R. Temirov, M. Rohlfing, F. B. Anders, F. S. Tautz, A chemically driven quantum phase transition in a two-molecule Kondo system. Nature Phys. 12, 867–873 (2016)

[2] K. Yang, S.-H. Phark, Y. Bae, T. Esat, P. Willke, A. Ardavan, A. J. Heinrich, C. P. Lutz, Probing resonating valence bond states in artificial quantum magnets. Nat Commun. 12, 993 (2021)

[3] T. Esat, T. Deilmann, B. Lechtenberg, C. Wagner, P. Krüger, R. Temirov, F.B. Anders, M. Rohlfing, F. S. Tautz. Transfering spin into an extended π orbital of a large molecule. Phys. Rev. B. 91, 144415 (2015)

[4] F. Eickhoff, E. Kolodzeiski, T. Esat, N. Fournier, C. Wagner, T. Deilmann, R. Temirov, M. Rohlfing, F.S. Tautz, F.B. Anders. Inelastic electron tunneling spectroscopy for probing strongly correlated many-body systems by scanning tunneling microscopy. Physical Review B 101, 125405 (2020)

[5] T. Esat, M. Ternes, R. Temirov, F. S. Tautz, Electron spin secluded inside a bottom-up assembled standing metal-molecule nanostructure. Phys. Rev. Research 5, 033200 (2023)