Project

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Single spin imaging of strongly correlated electron systems

English title Single spin imaging of strongly correlated electron systems
Applicant Maletinsky Patrick
Number 155845
Funding scheme Temporary Backup Schemes
Research institution
Institution of higher education University of Basel - BS
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.06.2015 - 31.05.2020
Approved amount 1'918'952.00
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Keywords (13)

Magnetic imaging; Diamond; Nanofabrication; Spin physics; Scanning probe microscopy; Graphene; strongly correlated electron systems; LAO/STO; Sr2RuO4; Quantum optics; Quantum sensing; Solid state physics; Magnetism

Lay Summary (German)

Lead
Die Nutzung einzelner Quantensysteme als hochempfindliche Sensoren ist ein aufstrebendes Forschungsgebiet. Durchbrüche wurden insbesondere bei der Anwendung einzelner Spins als nano "Quanten-Magnetometer" erzielt. Ziel dieses Forschungsprojektes ist es, ein "Quanten-Magnetometer" zum Studium von sogenannten “stark korrelierten Elektronensystemen” einzusetzen und offene Fragen auf diesem aktuellen Forschungsgebiet zu beantworten, welche mit konventionellen Methoden unmöglich oder nur schwierig zu adressieren sind.
Lay summary

Ziel dieses Projektes ist das Studium von “stark korrelierten Elektronensystemen”, mittels eines neuartigen “Quanten-Mikroskops“, welches innerhalb des Projektes entwickelt wird. Stark korrelierte Elektronensysteme sind seit Jahrzehnten ein Forschungsschwerpunkt der Physik und bilden nach wie vor ein höchst aktives Forschungsgebiet. Ein Verständnis dieser faszinierenden Materialsysteme ist von fundamentaler Bedeutung für die Festkörperphysik und bietet interessante Perspektiven für eine Vielzahl möglicher Anwendungen. Trotz intensiver Forschung bleiben zentrale Aspekte dieser Systeme bis heute unverstanden; unser Ziel ist es, mittels einer neuartigen experimentellen Methode, einige dieser offenen Fragen zu adressieren. Unser Ansatz beruht auf einem lokalen Sensor, in Form eines einzelnen Elektronen-Spins, der im Abstand von wenigen Nanometern kontrolliert über einer Probe verfahren werden kann. Dieser Sensor eignet sich insbesondere dazu, winzige Magnetfelder in der Nähe von Oberflächen zu detektieren und sensitiv abzubilden. Seine atomare Dimension, sowie die quanten-mechanischen Eigenschaften des Spins führen dabei zu einer örtlichen Auflösung im Nanometer-Bereich und einer Genauigkeit der Magnetfeldmessung, wie sie so keine andere Methode bieten kann. Der Fokus des Projektes wird auf dem Studium bislang unbekannter magnetischer Phänomene auf der Nanoskala liegen, die in stark korrelierten Elektronensystemen vorhergesagt wurden. Beispiele dafür finden sich in Graphen, Oxid-Grenzflächen oder unkonventionellen Supraleiter; drei Materialien welche im Verlaufe dieses Projektes untersucht werden. Unser Projekt hat damit das Potential, eine Vielzahl von erwarteten elektronischer Phänomene in stark korrelierten Elektronensystemen zum ersten Mal zu beobachten und damit unser Verständnis dieser faszinierenden Materialien signifikant zu erhöhen. Auf lange Sicht können unsere Studien damit Wege für mögliche elektronische Anwendungen der oben genannten Materialien eröffnen.

 

Direct link to Lay Summary Last update: 25.01.2015

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
(111)-oriented, single crystal diamond tips for nanoscale scanning probe imaging of out-of-plane magnetic fields
Rohner D., Happacher J., Reiser P., Tschudin M. A., Tallaire A., Achard J., Shields B. J., Maletinsky P. (2019), (111)-oriented, single crystal diamond tips for nanoscale scanning probe imaging of out-of-plane magnetic fields, in Applied Physics Letters, 115(19), 192401-192401.
Probing magnetism in 2D materials at the nanoscale with single-spin microscopy
Thiel L., Wang Z., Tschudin M. A., Rohner D., Gutiérrez-Lezama I., Ubrig N., Gibertini M., Giannini E., Morpurgo A. F., Maletinsky P. (2019), Probing magnetism in 2D materials at the nanoscale with single-spin microscopy, in Science, 364(6444), 973-976.
Nanomagnetism of Magnetoelectric Granular Thin-Film Antiferromagnets
Appel Patrick, Shields Brendan J., Kosub Tobias, Hedrich Natascha, Hübner René, Faßbender Jürgen, Makarov Denys, Maletinsky Patrick (2019), Nanomagnetism of Magnetoelectric Granular Thin-Film Antiferromagnets, in Nano Letters, 19(3), 1682-1687.
Color Centers in Diamond as Novel Probes of Superconductivity
Acosta Victor M., Bouchard Louis S., Budker Dmitry, Folman Ron, Lenz Till, Maletinsky Patrick, Rohner Dominik, Schlussel Yechezkel, Thiel Lucas (2019), Color Centers in Diamond as Novel Probes of Superconductivity, in Journal of Superconductivity and Novel Magnetism, 32(1), 85-95.
Real-Space Probing of the Local Magnetic Response of Thin-Film Superconductors Using Single Spin Magnetometry
Rohner Dominik, Thiel Lucas, Müller Benedikt, Kasperczyk Mark, Kleiner Reinhold, Koelle Dieter, Maletinsky Patrick (2018), Real-Space Probing of the Local Magnetic Response of Thin-Film Superconductors Using Single Spin Magnetometry, in Sensors, 18(11), 3790-3790.
Wide-Field Imaging of Superconductor Vortices with Electron Spins in Diamond
Schlussel Yechezkel, Lenz Till, Rohner Dominik, Bar-Haim Yaniv, Bougas Lykourgos, Groswasser David, Kieschnick Michael, Rozenberg Evgeny, Thiel Lucas, Waxman Amir, Meijer Jan, Maletinsky Patrick, Budker Dmitry, Folman Ron (2018), Wide-Field Imaging of Superconductor Vortices with Electron Spins in Diamond, in Physical Review Applied, 10(3), 034032-034032.
Advanced Fabrication of Single-Crystal Diamond Membranes for Quantum Technologies
Challier Michel, Sonusen Selda, Barfuss Arne, Rohner Dominik, Riedel Daniel, Koelbl Johannes, Ganzhorn Marc, Appel Patrick, Maletinsky Patrick, Neu Elke (2018), Advanced Fabrication of Single-Crystal Diamond Membranes for Quantum Technologies, in Micromachines, 9(4), 148-148.
Quantitative nanoscale vortex imaging using a cryogenic quantum magnetometer
L. Thiel D. Rohner M. Ganzhorn P. Appel E. Neu B. Müller R. Kleiner D. Koelle & P. Maletinsky (2016), Quantitative nanoscale vortex imaging using a cryogenic quantum magnetometer, in Nature Nanotechnology, 677.
Fabrication of all diamond scanning probes for nanoscale magnetometry
Patrick Appel1 a) Elke Neu12 a) Marc Ganzhorn1 a) Arne Barfuss1 Marietta Batzer1 Micha (2016), Fabrication of all diamond scanning probes for nanoscale magnetometry, in Review of Scientific Instruments, 063703.
Nanoscale microwave imaging with a single electron spin in diamond
Appel Patrick, Ganzhorn Marc, Neu Elke, Maletinsky Patrick (2015), Nanoscale microwave imaging with a single electron spin in diamond, in New Journal of Physics, 17(11), 112001-112001.

Datasets

Replication Data for: Probing magnetism in 2D materials at the nanoscale with single spin microscopy

Author Thiel, Lucas
Publication date 21.02.2019
Persistent Identifier (PID) 10.5281/zenodo.2574907
Repository Zenodo
Abstract
Data repository for: Probing magnetism in 2D materials at the nanoscale with single spin microscopyData description.pdf describes the uploaded data.Data.xlsx is the data represented in the paper.MzFromBNV.m, kvalues.m, NVZeemanShiftFromMagnetizedSampleEdge.m are Matlab code files used to transform and fit the data.

Scientific events



Self-organised

Title Date Place

Knowledge transfer events

Active participation

Title Type of contribution Date Place Persons involved
Mikrosystemtecchnik Kongress Talk 29.10.2019 Berlin, Germany Maletinsky Patrick;


Associated projects

Number Title Start Funding scheme
143697 Quantum sensing using single spin microscopy 01.07.2013 Project funding (Div. I-III)
169321 Exploring nanoscale magnetic phenomena using a quantum microscope 01.10.2016 Project funding (Div. I-III)
188521 Exploring nanoscale magnetic phenomena using a quantum microscope 01.10.2019 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Strongly correlated electron systems form a vibrant research field at the heart of condensed matter physics. They are of fundamental interest and highly promising for a broad range of applications from high temperature superconductivity to novel solid-state memory devices. However, despite significant efforts, full understanding of these fascinating materials remains an outstanding challenge. A central bottleneck for further progress is the lack of suitable tools to directly assess microscopic origins and manifestations of electronic correlations down to the level of single electrons. Here, I propose to apply a completely novel approach based on quantum-coherent sensing technologies to explore strongly correlated electron systems on the nanoscale and thereby promote our understanding of quantum matter to a new level. My group will engineer and apply an ultralow temperature scanning probe apparatus that uses single electrons as highly sensitive magnetometers. This approach combines nanometric imaging resolution, single electron spin sensitivity, and quantitative magnetic imaging - performance-characteristics that no existing method offers. My project focuses on the study of unexplored local magnetic phenomena, which emerge as Hallmarks of electronic correlations. Examples include spontaneous symmetry-breaking in quantum Hall states, fractional vortices in superconductors and magnetism in oxide interfaces. Our nanoscale studies of these phenomena will offer unprecedented insight into these complex states and my proposal thus has the potential to revolutionise our understanding of exotic quantum matter.This project combines key technological innovations with experiments of far-reaching scientific impact. It is highly interdisciplinary as it combines quantum-control and quantum-engineering with fundamental questions in condensed matter physics. This challenging project goes well beyond the state-of-the-art and could define the beginning of a new era in the field of quantum-sensing. I will thereby further strengthen Switzerland's position at the forefront of this vibrant research area. My project requires a several year commitment, significant investment in instrumentation and a team of two graduate students plus one postdoctoral fellow.
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