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Scanning Probe Microscopy for Quantum Spin Systems (SPM4QSS)

English title Scanning Probe Microscopy for Quantum Spin Systems (SPM4QSS)
Applicant Fasel Roman
Number 205299
Funding scheme R'EQUIP
Research institution Eidg. Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA)
Institution of higher education Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology - EMPA
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.12.2021 - 30.11.2022
Approved amount 585'000.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Condensed Matter Physics
Physical Chemistry
Material Sciences

Keywords (7)

Graphene Nanoribbons; Quantum Materials; Spin Physics; Scanning Probe Microscopy; Magnetism; Electron Spin Resonance; On-surface Synthesis

Lay Summary (German)

Lead
Die erste Quantenrevolution des letzten Jahrhunderts brachte uns Technologien wie den Laser oder den Halbleitertransistor, welche zentrale Aspekte unserer Gesellschaft fundamental verändert haben. Wir stehen nun am Beginn einer zweiten Quantenrevolution, welche durch die Kontrolle und Nutzung von Phänomenen wie Quantenverschränkung und Quantenüberlagerung zu neuen Technologien in der Datenübertragung, Datenverarbeitung und Messtechnik führen wird. Die Herstellung und adäquate Charakterisierung neuartiger Materialien, die zur Realisierung solcher Phänomene genutzt werden können, ist von zentraler Bedeutung für die Entwicklung dieser Technologien.
Lay summary

Das Ziel des R'Equip Projektes SPM4QSS ist der Aufbau eines Rasterprobenmikroskopes, welches in der Lage ist neuartige Quantenmaterialien bezüglich ihrer strukturellen, elektronischen und magnetischen Eigenschaften zu charakterisieren und deren Entwicklung voranzutreiben. Im Fokus dieser Untersuchungen stehen kohlenstoffbasierte Nanomaterialien, die mit atomarer Präzision hergestellt werden und in welchen Elektronenspins zu komplexen, wechselwirkenden Strukturen zusammengeschaltet werden können. Durch die Kombination höchster örtlicher Auflösung und gleichzeitiger Elektronenspinresonanzmessungen soll das SPM4QSS Instrument die Möglichkeit bieten, diese Quantenspin-Systeme mit atomarer Präzision ausmessen und manipulieren zu können. Zu diesem Zweck kann das System bis auf unter 1 Kelvin abgekühlt und Magnetfelder von bis zu 10 Tesla erzeugt werden (etwa 300'000 mal stärker als das Erdmagnetfeld).  

Mit der Entwicklung der sogenannten oberflächengestützten chemischen Synthese ist es an der Empa gelungen, komplexe, kohlenstoffbasierte Makromoleküle herzustellen, deren Struktur und damit einhergehend auch deren Eigenschaften sich sozusagen am Reissbrett entwerfen lassen. Mit Hilfe des SPM4QSS hoffen wir nun, deren Quantenmerkmale soweit zu verstehen und zu kontrollieren, dass diese Materialien in neuen Quantentechnologien zur Anwendung gelangen können.        

Direct link to Lay Summary Last update: 23.11.2021

Responsible applicant and co-applicants

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
182015 On-surface synthesis of low-dimensional nanomaterials (OSSY) 01.11.2018 Project funding (Div. I-III)
182892 NCCR MARVEL: Materials’ Revolution: Computational Design and Discovery of Novel Materials (phase II) 01.05.2018 National Centres of Competence in Research (NCCRs)
170184 Spin physics of zigzag graphene nanostructures 01.10.2017 China 2016
165512 Probing 2D materials interaction with Graphene Quantum Dots (PIQuaDo) 01.02.2017 Project funding (Div. I-III)
187617 Exploring synthetic approaches to non-alternant ring topologies in graphene nanostructures 01.11.2020 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Quantum mechanics is the most fundamental and precise theory of matter in the world surrounding us. Although all properties of matter derive from quantum effects, the more exotic manifestations of the latter such as interference, quantization, superposition, correlations and entanglement get lost when the system size is increased beyond the nanometer scale. In the last 20 years, enormous progress has been made in the fabrication and understanding of materials and devices where non-classical quantum effects remain relevant over extended length, time and energy scales. This development has opened entirely new avenues in refining our fundamental understanding of structure-property relationships of so-called quantum materials, and their exploitation in novel device structures.For our laboratory this progress is expressed by our ability to engineer non-classical electronic and, only recently, magnetic states in graphene and other 2D materials-derived nanostructures. This ability is closely linked to the atomically precise synthesis of these nanomaterials and the characterization of their structural, electronic and magnetic properties with atomic resolution. In this context, the experimental proof that complex spin states can be rationally engineered has been a disruptive breakthrough in our research efforts. However, to fully explore and exploit the opportunities enabled by designing magnetic properties from the bottom up, we need a qualitative leap in our experimental infrastructure to access the µeV-meV energy scale associated with these novel magnetic phases and the manipulation thereof. Specifically, we propose to complement our experimental infrastructure with a dedicated Milli-Kelvin - High Magnetic Field - High-Frequency Scanning Probe Microscope (500 mK, 10 Tesla and electrical signals up to 50 GHz). This new instrument will leverage the most recent advances in combining Scanning Probe Microscopy with Electron Spin Resonance measurements. With this tool, we will be able to measure and coherently manipulate spin states with atomic precision. In this way, we shall explore the novel low-dimensional quantum systems produced by our on-surface synthesis platform in much more depth than previously possible, and ultimately exploit their unconventional physical properties for future technological applications. The proposed instrument will also provide us with completely new opportunities to make significant contributions in the field of materials for quantum information science. We consider this extension to our experimental research infrastructure to be indispensable to keep our core research at an internationally competitive level.
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