Metaoberflächenverstärkte Terahertz-Magnetresonanz zur Adressierung molekularer Spin-Qubits auf Oberflächen

• Antragsteller: Lorenzo Tesi, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 529038510

Die technologischen Fortschritte bei der Anwendung von Frequenzen im Terahertz(THz)-Bereich sind derzeit von größter Bedeutung in verschiedensten Bereichen, wie beispielsweise ultraschneller Kommunikation, bei Scannern für die Anwendung im Sicherheitssektor, der Materialcharakterisierung oder der Untersuchung von molekularen Schwingungen und deren magnetischen Anregungen. Das Fehlen effizienter Strahlungsquellen und -detektoren hat bis heute die Erforschung dieses Frequenzbereichs, in welchem die Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie schwach ist, verhindert. Eine Lösung für dieses Problem war die Realisierung künstlicher (Meta-)Materialien, welche in der Lage sind mit Strahlung im THz-Bereich zu wechselwirken. Unter diesen können Metaoberflächen, welche aus regelmäßigen Anordnungen planarer Resonatoren bestehen, deren Größe die der wechselwirkenden Wellenlängen unterschreitet, elektromagnetische Strahlung über dessen natürlich erwartbares Verhalten hinaus kontrollieren. Ein praktisches Beispiel hierfür ist die Fokussierung von elektrischen Feldern für Anwendungen, in denen hochempfindlichen Sensoren benötigt werden. Außerdem kann elektromagnetische Strahlung im THz-Bereich dafür verwendet werden magnetische Übergänge anzuregen. Die THz-Elektronenspinresonanz (ESR) ist eine leistungsstarke und vielseitige Technik für die Untersuchung von Materialien mit ungepaartem Elektronenspin, da sie im Vergleich mit konventionellen Standardfrequenzen wie 9 GHz - 35 GHz eine höhere spektrale Auflösung, sowie die Untersuchung einer größeren Breite an Materialien und Phänomenen erlaubt. Bedingt durch die geringe Leistung von Strahlungsquellen im THz-Bereich ist die Untersuchung von geringen Probenvolumina aber praktisch ausgeschlossen. Ein großer Fortschritt in dieser Problematik wäre jedoch die Realisierung von auf entsprechenden Resonatoren basierenden Metaoberflächen, welche dazu in der Lage sind, magnetische Felder in kleinen Volumina zu verstärken. Dieses Projekt zielt darauf ab genau diese Resonatormetaoberflächen (MRs) zu verwirklichen um die magnetische Feldkomponente von THz-Strahlung in einer 2-dimensionalen Fläche zu lokalisieren, um auch kleine Probenvolumina und dünne Schichten durch THz-ESR untersuchen zu können. Dazu werden in diesem Projekt MRs entwickelt, hergestellt und in Magnetresonanzexperimenten untersucht. Als Beispiel für eine potentielle Anwendung konzentrieren wir uns auf molekulare Quantenbitsysteme. Die gesteigerte Empfindlichkeit wird dabei helfen die Veränderung der Eigenschaften von Quantenbitsystemen zu verstehen, nachdem diese auf Oberflächen aufgebracht worden sind. Dies ist ein bedeutender Schritt bei der Verwirklichung von funktionalen Quantentechnologien. Zukünftig werden magnetische Metaoberflächen ein Werkzeug für oberflächenempfindliche Magnetresonanzexperimente werden, die eine große Breite an Einsatzgebieten abdecken können.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: Terahertz Time Domain Spectrometer ; Thermal Evaporation Chamber
• Gerätegruppe: 6380 Frequenzanalysatoren, Schwingungsanalysatoren ; 8330 Vakuumbedampfungsanlagen und -präparieranlagen für Elektronenmikroskopie