Abteilung für Mikrostrukturierte Quantenmaterie

Direktor: Philip Moll

Der außerordentliche Erfolg von Silizium hat die technologischen Entwicklungen des letzten Jahrhunderts geprägt. Mit Blick auf die Zukunft wird die Vorherrschaft dieses Materials von mehreren Seiten in Frage gestellt. Die Skalierung nach dem Mooreschen Gesetz, die eine immer höhere Transistordichte verspricht, stößt an grundlegende Grenzen. Doch auch die dringende Notwendigkeit, den Stromverbrauch zu senken, sowie die Entwicklungen in Richtung Quanteninformation erfordern Materialien, die über Halbleiter und klassische Metalle hinausgehen. Während der Bedarf an neuen Materialien klar ist, schafft die Perfektion des modernen Siliziums eine hohe Eintrittsbarriere für sie.

Hier in der Abteilung für mikrostrukturierte Quantenmaterie arbeiten wir daran, fortgeschrittene Funktionalitäten, die neuartige Materialien für die Zukunft versprechen, in Prototypen aus heute verfügbaren Materialien zu untersuchen. Unsere Abteilung interessiert sich für Materialien, in denen sich Elektronen grundlegend anders verhalten als in Kupfer oder Silizium. Für solche Situationen wurde der weit gefasste Begriff „Quantenmaterialien" geprägt, zu dem stark korrelierte Elektronensysteme, topologische Leiter, Quantenmagnete, unkonventionelle und Hochtemperatur-Supraleiter, Schwerfermionenmetalle und vieles mehr gehören. Im Gegensatz zu quasi perfekten, handelsüblichen Siliziumwafern sind diese Materialien selbst noch Teil der Forschung in der physikalischen Chemie, und die Synthese hochwertiger Kristalle kann eine große Herausforderung darstellen. Wir entwickeln Herstellungsverfahren, um selbst mikroskopisch kleine Kristallite dieser komplexen Verbindungen in Mikro- und Nanostrukturen von höchster Qualität zu verwandeln und ihre elektronischen und magnetischen Eigenschaften zu untersuchen. Der technische Mittelpunkt unserer Arbeit ist der fokussierte Ionenstrahl, der es uns ermöglicht, kristalline Schaltkreise mit nanometrischer Präzision aus diesen Partikeln herauszuschneiden. Das elektronische Verhalten dieser Mikrostrukturen wird mit Hilfe von Ladungstransportexperimenten bei kryogenen Temperaturen bis 0.01K und in hohen Magnetfeldern von bis zu 20T untersucht. Eine enge Zusammenarbeit mit Pulsfeld-forschungszentrenerweitert die verfügbaren Magnetfelder bis in den 100T-Bereich.

Mit diesem Ansatz gehen wir auch über die Möglichkeiten gewöhnlicher Kristalle hinaus und können die Quantenzustände dieser Materialien nicht-linear verändern. Vor allem wenden wir kontrollierte Verzerrungen und deren Gradienten auf Quantenmaterialien an, deren Stärke in makroskopischen Kristallen unmöglich zu erreichen ist. Auf diese Weise können wir Korrelationslandschaften erstellen, Spin- und Ladungs-Dichtewellen beeinflussen oder künstliche Eichfelder in Festkörpern erzeugen. Durch ultraschnelles Abkühlen und nichtlineare elektrische Ströme wird das elektronische Spektrum verändert und es werden neuartige, metastabile Quantenzustände erzeugt.

Unsere junge und aktive Abteilung ist immer auf der Suche nach hochmotivierten Student*innen und Wissenschaftler*innen, die sich unserer wissenschaftlichen Arbeit anschließen möchten.