SFB 767: Kontrollierte Nanosysteme: Wechselwirkung und Ankopplung an die Makrowelt
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In den letzten beiden Jahrzehnten sind die Nanowissenschaften zu einem Gebiet herangereift, aus dem sich Anwendungsansätze auf der Basis von Nanostrukturen herausgebildet haben. Das Potential dieser Ansätze beruht in entscheidender Weise auf einer präzisen Kontrolle der Wechselwirkung zwischen Nanostrukturen oder mit externen Feldern. Unser SFB hat durch die Entwicklung von Steuerungsmechanismen für einzelne Nanosysteme in den letzten zwölf Jahren wesentlich zum Fortschritt in den Nanowissenschaften beigetragen. Wir haben gezeigt, dass die Steuerung durch strukturelle, optische oder elektronische Verfahren ein vielversprechender Weg zu einem umfänglichen Verständnis der mechanischen, elektronischen und magnetischen Eigenschaften von Nanosystemen ist. Unser Forschungsprogramm gliedert sich deshalb in diese drei Bereiche. Der erste Bereich umfasste strukturelle und mechanische Eigenschaften. Hier konzentrierten sich die Untersuchungen auf kohärente mechanische Anregungen von Membranen und Balkenresonatoren, die durch elektromagnetische Felder gesteuert werden. Eines unserer Hauptergebnisse ist die Aufklärung des Ursprungs der mechanischen Dämpfung in Nanomembranen und die kohärente Steuerung eines Nanobalkens. Darüber hinaus haben wir die Kontrolle des Wärmetransports durch Temperaturgradienten untersucht. Im zweiten Forschungsbereich zu den optischen und elektronischen Eigenschaften war das Hauptziel die Nutzung des Potentials der optischen Kontrolle von Nanosystemen. Eine beispiellose Präzision der Steuerung wurde experimentell erreicht durch Zweifarbenanregungen von Molekülen und auf theoretischer Seite in Systemen, die als Kandidaten für Spin-Qubit-Anwendungen diskutiert werden. Weitere wichtige Fortschritte betreffen die Stabilität von kolloidalen Quantenpunkten, ihre Kontrolle auf ultraschnellen Zeitskalen und in Magnetfeldern sowie den direkten Nachweis des photonischen Vakuums. Darüber hinaus haben wir in diesem Bereich eine ultraschnelle Kontrolle der Kopplung zwischen einem Tunnelstrom und Photonen entwickelt. Der dritte Projektbereich, elektronische und magnetische Transporteigenschaften, hat sich mit der Kontrolle von Elektronen in einzelnen Molekülübergängen oder Quantenpunktkontakten und der Magnetisierung in Nanostrukturen beschäftigt. Als Beispiele seien die Anregung einzelner Spins in Molekülen, einzelner Elektronen durch Spannungsimpulse, molekularer Vibrationsmoden durch Strom und Domänenwände durch thermische Gradienten genannt. Im Laufe des SFBs haben wir diese Forschungsrichtungen fortgesetzt und uns dabei auf die vielversprechendsten Aspekte der ersten Förderperioden konzentriert. Hierzu gehört die Entwicklung fein abgestimmter Kontrollschemata, wie z.B. die Nutzung elektrischer und optischer Feldeffekte auf mechanische und magnetische Nanosysteme, Moleküle und Halbleiter- Quantenpunkte. Darüber hinaus haben wir unter Nutzung der Erkenntnisse aus den ersten Förderperioden unseren Anwendungsbereich auf Themen wie die ultraschnelle Manipulation von elektronischen Tunnelströmen und den technischen Wärmefluss in Nanokontakten erweitert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Phonon assisted current noise in molecular junctions, Phys. Rev. Lett. 103, 136601 (2009)
F. Haupt, T. Novotny, and W. Belzig
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.103.136601) - Sub-cycle switch-on of ultrastrong light-matter interaction, Nature 458, 178 (2009)
G. Günter, A. A. Anappara, J. Hees, A. Sell, G. Biasiol, L. Sorba, S. De Liberato, C. Ciuti, A. Tredicucci, A. Leitenstorfer, and R. Huber
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nature07838) - A passive terahertz radiation device, European Patent EP2422414, WO/2010142313 (2010)
T. Dekorsy, G. Klatt, K. Huska, G. Bastian
- Imaging of domain wall inertia in permalloy half-ring nanowires by time-resolved photoemission electron microscopy, Phys. Rev. Lett. 104, 067201 (2010)
J. Rhensius, L. Heyne, D. Backes, S. Krzyk, L. J Heyderman, L. Joly, F. Nolting, and M. Kläui
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.104.067201) - Nonadiabatic spin-Torque investigated using thermally activated magnetic domain wall dynamics, Phys. Rev. Lett. 105, 056601 (2010)
M. Eltschka, M. Wötzel, J. Rhensius, S. Krzyk, U. Nowak, M. Kläui, T. Kasama, R. E. Dunin- Borkowski, L. J. Heyderman, H. J. van Driel, and R. A. Duine
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.105.056601) - Synthesis of a single cycle of light with compact erbium-doped fibre technology, Nature Photonics. 4, 33 (2010)
G. Krauss, S. Lohss, T. Hanke, A. Sell, S. Eggert, R. Huber, and A. Leitenstorfer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nphoton.2009.258) - A tunable twoimpurity Kondo system in an atomic point contact, Nature Physics 7, 901 (2011)
J. Bork, Y. Zhang, L. Diekhöner, L. Borda, P. Simon, J. Kroha, P. Wahl, and K. Kern
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nphys2076) - Benzenedithiol: A broad-range single-channel molecular conductor, Nano Lett. 11, 3734 (2011)
Y. Kim, T. Pietsch, A. Erbe, W. Belzig, and E. Scheer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/nl201777m) - Coherent terahertz control of antiferromagnetic spin waves, Nature Photonics 5, 31 (2011)
T. Kampfrath, A. Sell, G. Klatt, A. Pashkin, S. Mährlein, T. Dekorsy, M. Wolf, M. Fiebig, A. Leitenstorfer, and R. Huber
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nphoton.2010.259) - Domain wall motion by the magnonic spin Seebeck effect, Phys. Rev. Lett. 107, 027205 (2011)
D. Hinzke and U. Nowak
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.107.027205) - Selective NIR chromophores: Bis-Pyrrolopyrrole Cyanines, Angew. Chem. Int. Ed. 50, 1406 (2011)
G. M. Fischer, E. Daltrozzo, A. Zumbusch
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/anie.201004829) - Subharmonic resonant optical excitation of confined acoustic modes in a free-standing semiconductor membrane at GHz frequencies with a highrepetition-rate femtosecond laser, Phys. Rev. Lett. 106, 077401 (2011)
A. Bruchhausen, R. Gebs, F. Hudert, D. Issenmann, G. Klatt, A. Bartels, O. Schecker, R. Waitz, A. Erbe, E. Scheer, J.-R. Huntzinger, A. Mlayah, and T. Dekorsy
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.106.077401) - Charge transport characteristics of diarylethene photoswitching singlemolecule junctions, Nano Lett. 12, 3736 (2012)
Y. Kim, T. J. Hellmuth, D. Sysoiev, F. Pauly, T. Pietsch, J. Wolf, A. Erbe, T. Huhn, U. Groth, U. E. Steiner, and E. Scheer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/nl3015523) - A current-driven singleatom memory, Nature Nanotech. 8, 645 (2013)
C. Schirm, M. Matt, F. Pauly, J. C. Cuevas, P. Nielaba, and E. Scheer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nnano.2013.170) - Fundamental quantum noise mapping with tunnelling microscopes tested at surface structures of subatomic lateral size, Nanoscale 5, 99787 (2013)
M. Herz, S. Bouvron, E. Cavar, M. Fonin, W. Belzig, and E. Scheer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c3nr02216a) - Heat dissipation in atomic-scale junctions, Nature 498, 2098 (2013)
W. Lee, K. Kim, W. Jeong, L. A. Zotti, F. Pauly, J. C. Cuevas, and P. Reddy
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nature12183) - Temperature and magnetic field dependence of a Kondo system in the weak coupling regime, Nature Comm. 4, 2110 (2013)
Y. Zhang, S. Kahle, T. Herden, C. Stroh, M. Mayor, U. Schlickum, M. Ternes, P. Wahl, and K. Kern
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms3110) - Ground-state cooling of a carbon nanomechanical resonator by spin-polarized current, Phys. Rev. Lett. 113, 047201 (2014)
P. Stadler, W. Belzig, and G. Rastelli
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.113.047201) - Lateral and temporal dependence of the transport through an atomic gold contact under light irradiation: signature of propagating surface plasmon polaritons, Nano Lett. 14, 5218 (2014)
D. Benner, J. Boneberg, P. Nürnberger, R. Waitz, P. Leiderer, and E. Scheer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/nl502165y) - Over-bias light emission due to higher order quantum noise of a tunnel junction, Phys. Rev. Lett. 113, 066801 (2014)
F. Xu, C. Holmqvist, and W. Belzig
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.113.066801) - Role of entropy in domain wall motion in thermal gradients, Phys. Rev. Lett. 113, 097201 (2014)
F. Schlickeiser, U. Ritzman, D. Hinzke, and U. Nowak
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.113.097201) - Ultrafast optical control of orbital and spin dynamics in a solid-state defect, Science 345, 1333 (2014)
L. C. Bassett, F. J. Heremans, D. J. Christle, C. G. Yale, G. Burkard, B. B. Buckley, and D. D. Awschalom
(Siehe online unter https://doi.org/10.1126/science.1255541) - Direct sampling of electric-field vacuum fluctuations, Science 350, 420 (2015)
C. Riek, D. Seletskiy, A. S. Moskalenko, J.-F. Schmidt, P. Krauspe, S. Eckart, S. Eggert, G. Burkard, and A. Leitenstorfer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1126/science.aac9788) - Highly ordered surface self-assembly of Fe4 single molecule magnets, Nano Lett. 15, 4546 (2015)
P. Erler, P. Schmitt, N. Barth, A. Irmler, S. Bouvron, T. Huhn, U. Groth, F. Pauly, L. Gragnaniello, and M. Fonin
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b01120) - Paraxial theory of direct electro-optic sampling of the quantum vacuum, Phys. Rev. Lett. 115, 263601 (2015)
A.S. Moskalenko, C. Riek, D. Seletskiy, G. Burkard, and A. Leitenstorfer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.115.263601) - Ground-state cooling of a mechanical oscillator by noiseinterference in Andreev-reflections, Phys. Rev. Lett. 117, 197202 (2016)
P. Stadler, W. Belzig, and G. Rastelli
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.117.197202) - Optical manipulation of the Berry phase in a solid-state spin qubit, Nature Photonics 10, 184 (2016)
C. G. Yale, J. F. Heremans, B. B. Zhou, A. Auer, G. Burkard, and D. D. Awschalom
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nphoton.2015.278) - Shot noise of 1,4-benzenedithiol single-molecule junctions, Nano Lett. 16, 1803 (2016)
M. A. Karimi, S. G. Bahoosh, M. Herz, R. Hayakawa, F. Pauly, and E. Scheer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b04848) - Sub-cycle optical phase control of nanotunnelling in the single-electron regime, Nature Photonics 10, 667 (2016)
T. Rybka, M. Ludwig, M. F. Schmalz, V. Knittel, D. Brida, and A. Leitenstorfer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nphoton.2016.174) - Correlation driven transport asymmetries through coupled spins in a tunnel junction, Nature Comm. 8, 14119 (2017)
M. Münks, P. Jacobson, M. Ternes, and K. Kern
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms14119) - Quantized thermal transport in single-atom junctions, Science 355, 1192 (2017)
L. Cui, W. Jeong, S. Hur, M. Matt, J. C. Klöckner, F. Pauly, P. Nielaba, J. C. Cuevas, E. Meyhofer, and P. Reddy
(Siehe online unter https://doi.org/10.1126/science.aam6622) - Subcycle quantum electrodynamics, Nature 541, 376 (2017)
C. Riek, P. Sulzer, M. Seeger, A.S. Moskalenko, G. Burkard, D. V. Seletskiy, and A. Leitenstorfer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nature21024) - Efficient emission enhancement of single CdSe/CdS/PMMA quantum dots through controlled near-field coupling to plasmonic bullseye resonators, Nano Lett. 18, 5396 (2018)
F. Werschler, B. Lindner, C. Hinz, F. Conradt, P. Gumbsheimer, Y. Behovits, C. Negele, T. de Roo, O. Tzang, S. Mecking, A. Leitenstorfer, D. V. Seletskiy
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b01533) - Magnon detection using a ferroic collinear multilayer spin valve, Nature Comm. 9, 1089 (2018)
J. Cramer, F. Fuhrmann, U. Ritzmann, V. Gall, T. Niizeki, R. Ramos, Z. Qiu, D. Hou, T. Kikkawa, J. Sinova, U. Nowak, E. Saitoh, and M. Kläui
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41467-018-03485-5) - Collective dynamics of strain-coupled nanomechanical pillar resonators, Nature Comm. 10, 5246 (2019)
J. Doster, S. Hoenl, H. Lorenz, P. Paulitschke, and E. M. Weig
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41467-019-13309-9) - Spatial modulation of nonlinear flexural vibrations of membrane resonators, Phys. Rev. Lett. 122, 154301 (2019)
F. Yang, F. Rochau, J. S. Huber, A. Brieussel, G. Rastelli, E. M. Weig, and E. Scheer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.122.154301) - Subcycle squeezing of light from a time flow perspective, Nature Physics 15, 960 (2019)
M. Kizmann, T. Lucena de M. Guedes, D. V. Seletskiy, A. S. Moskalenko, A. Leitenstorfer, and G. Burkard
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41567-019-0560-2) - Thermal conductance of single-molecule junctions, Nature 572, 628 (2019)
L. Cui, S. Hur, Z. A. Akbar, J. C. Klöckner, W. Jeong, F. Pauly, S.-Y. Jang, P. Reddy, and E. Meyhofer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41586-019-1420-z) - Thermal skyrmion diffusion used in a reshuffler device, Nature Nanotech. 14, 658 (2019)
J. Zázvorka, F. Jakobs, D. Heinze, N. Keil, S. Kromin, S. Jaiswal, K. Litzius, G. Jakob, P. Virnau, D. Pinna, K. Everschor-Sitte, L. Rózsa, A. Donges, U. Nowak, and M. Kläui
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41565-019-0436-8) - Dynamical Coulomb Blockade as a Local Probe for Quantum Transport, Phys. Rev. Lett. 124, 156803 (2020)
J. Senkpiel, J. C. Klöckner, M. Etzkorn, S. Dambach, B. Kubala, W. Belzig, A. Levy Yeyati, J. C. Cuevas, F. Pauly, J. Ankerhold, C. R. Ast, K. Kern
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.156803) - Sub-femtosecond electron transport in a nanoscale gap, Nature Physics 16, 341 (2020)
M. Ludwig, G. Aguirregabiria, F. Ritzkowsky, T. Rybka, D. C. Marinica, J. Aizpurua, A. G. Borisov, A. Leitenstorfer, and D. Brida
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41567-019-0745-8)
