Die Punkte verbinden: Skalierung und Kopplung von Quantenpunkten in zweischichtigem Graphen für zukünftige Quantentechnologien

• Antragstellerin: Dr. Angelika Hildegard Knothe-Schulz
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 529637137

Elektrostatisch induzierte Nanostrukturen in zweischichtigem Graphen sind vielversprechend für Quantentechnologien, z. B. Quantenpunkte als Spin- und Valley-Qubits. In den letzten Jahren haben meine Kollaborationspartner und ich die Grundlagen für das Verständnis einzelner, isolierter, elektrisch definierter Nanostrukturen wie Quantendrähte, Quantenpunkte und vollelektronische Resonatoren in zweischichtigem Graphen geschaffen. Die hier beantragte Forschung wird die notwendige theoretische Arbeit zur Kopplung in Anordnungen mit mehreren Quantenpunkten in zweischichtigem Graphen als Schritt in Richtung zukünftiger skalierbarer, modularer Quantenpunktarchitekturen leisten. Wir werden unterschiedliche Kopplungsmechanismen zwischen mehreren Quantenpunkten in zweischichtigem Graphen über verschiedene Längenskalen hinweg untersuchen: 1. Kurzstreckenkopplung zwischen zwei Quantenpunkten in zweischichtigem Graphen und in kleinen Gittern aus Quantenpunkten; 2. Die Kopplung zwischen vollelektronischen, Gate-definierten Resonatoren in zweischichtigem Graphen und Quantenpunkten in zweischichtigem Graphen; 3. Langreichweitige Kopplung zwischen Quantenpunkten in zweischichtigem Graphen, vermittelt durch elektronische Resonatoren in zweischichtigem Graphen; Zweischicht-Graphen liefert Bauelemente von hervorragender Qualität, bei denen die einzigartigen Materialeigenschaften und der elektrostatische Einschluss durch externe Gates einstellbar sind, was die Kombination unterschiedlicher Funktionen und den Betrieb in verschiedenen Bereichen ermöglicht. Die Kopplung verschiedener Gate-induzierter Nanostrukturen in ein und demselben Material wird für die Entwicklung kleiner, integrierter Einkristall-Bauweisen vorteilhaft sein. Dank des raschen experimentellen Fortschritts bei der Entwicklung von zweischichtigen Graphen-Nanostrukturen sind solche fortschrittlichen Bauweisen nun in Reichweite. Daher besteht Bedarf an innovativen Ideen und fundierten theoretischen Vorhersagen, wie diese Nanostrukturen in zweischichtigem Graphen für Anwendungen nutzbar gemacht werden können. Hier wird die beantrage Forschung einen Beitrag leisten, indem sie das theoretische Verständnis von gekoppelten Quantenpunkten in zweischichtigem Graphen und hybriden, vollelektronischen Quantenpunkt-Resonator-Systemen vorantreibt und damit den Bereich der Nanostrukturen in zweischichtigem Graphen für zukünftige Quantentechnologien voranbringt. Durch die Ausrichtung auf gekoppelte Nanostrukturen in zweischichtigem Graphen für zukünftige Quantentechnologien wird die hier beantrage Forschung zu neuen Erkenntnissen über Quantensysteme im Nanomaßstab führen, in niedrigdimensionalen Materialien, hybriden Anordnungen und Vielteilchenzuständen mit verschiedenen Freiheitsgraden, sowie den Weg für neue Anwendungen ebnen, bei denen diese Nanostrukturen als Bausteine für modulare Quantennetzwerke verwendet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen