Project

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Bottom-up design and exploration of p-electron quantum magnetism

Applicant Ruffieux Pascal
Number 205987
Funding scheme Sinergia
Research institution Eidg. Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA)
Institution of higher education Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology - EMPA
Main discipline Interdisciplinary
Start/End 01.04.2022 - 31.03.2026
Approved amount 2'696'338.00
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All Disciplines (4)

Discipline
Interdisciplinary
Condensed Matter Physics
Organic Chemistry
Theoretical Physics

Keywords (6)

open-shell nanographenes; on-surface synthesis; spin chains; single spin electron paramagentic resonance; scanning tunneling microscopy; coupled spin systems

Lay Summary (German)

Lead
Neue Methoden der Oberflächenchemie haben in den letzten Jahren die Herstellung von Graphen-Nanostrukturen, sogenannten Nanographenen, ermöglicht, welche über klassische Lösungschemie oder 'Top-down'-Strukturierung von Graphenschichten nicht möglich ist. Die atomare Präzision, welche bei diesen molekülbasierten 'Bottom-up'-Prozessen erreicht wird, erlaubt unterdessen die Herstellung einer Vielzahl von verschiedenen Formen dieser reinen Kohlenstoffstrukturen - und damit die Möglichkeit, die elektronischen Eigenschaften gezielt zu wählen. Der jüngste Durchbruch auf diesem Gebiet erlaubt es nun sogar, magnetische Nanographene herzustellen.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Das Hauptziel unseres Projekts ist die Herstellung von magnetischen Nanographenen, bei welchen mehrere magnetische Momente kontrolliert miteinander gekoppelt sind. Die atomare Präzision der 'Bottom-up'-Strategie wird dabei benutzt, um diese Kopplung chemisch zu kontrollierenund damit komplexe Quantenzustände zu realisieren, welche die Basis für künftigen Quantenrechner liefern können. Um die erforderlichen Kompetenzen in Synthese, Charakterisierung und Modellierung bereitzustellen, haben wir ein hochgradig interdisziplinäres Konsortium mit Hintergrund in organischer Chemie, Oberflächenchemie und –physik, Elektronen-Spin-Resonanz und theoretischer Physik zusammengestellt. Die geplanten Untersuchungsmethoden sind in der Lage, einzelne Moleküle und sogar einzelne Spins aufzulösen, so dass direkte Beziehungen zwischen atomarer Struktur, deren modellierter Eigenschaften und den experimentell bestimmten magnetischen und elektronischen Eigenschaften hergestellt werden können. Wichtige Meilensteine des Projekts sind die Erarbeitung eines grundlegenden Verständnisses von magnetischen Momenten, welche über molekulare Orbitale hervorgerufen werden, sowie die Entwicklung neuer Methoden für die kombinierte Lösungs- und Oberflächensynthese von komplexen magnetischen Nanostrukturen.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Aktuelle Quantencomputer zeigen uns das Potential auf, welches mit der auf 'qubits' basierten Informationstechnologie erschlossen werden kann. Momentan können die dazu benötigten Quantenzustände aber nur bei sehr tiefen Temperaturen im Bereich von Millikelvin (mK) realisiert werden. Ein wichtiger Grund dafür ist deren Empfindlichkeit gegenüber Umgebungseinflüssen, welche ihre Lebensdauer stark einschränkt. Die Verwendung von Kohlenstoff kann auf Grund seiner tiefen Ordnungszahl diesbezüglich wichtige Vorteile vorweisen. Das Projekt 'PiMag' wird dieses Potential systematisch erforschen. So werden wir über Messungen an einzelnen Spins in der Lage sein, die genaue Lebensdauer von Nanographen-basierten Quantenzuständen zu messen. Dies wird eine exakte Evaluierung der benötigten Umgebungsbedingungen erlauben, unter welchen die vorausgesagte lange Lebensdauer von kohlenstoffbasierten Quantenzuständen tatsächlich in die Praxis umgesetzt werden kann. Zusammen mit der chemisch kontrollierten Kopplung von verschiedenen Quantenzuständen werden wir somit Grundlagen erarbeiten, welche zeigen in wieweit Nanographen-basierte Materialien für die Erzeugung langlebiger Quantenzustände in der Quanteninformatik eingesetzt werden können.

 

Direct link to Lay Summary Last update: 08.02.2022

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
187617 Exploring synthetic approaches to non-alternant ring topologies in graphene nanostructures 01.11.2020 Project funding
196358 Double Möbius Unzipped: A Topological Approach to Make Molecules 01.12.2020 Spark
198900 A “Closer Look” at Open-Shell Nanographenes Through Bond and Space 01.04.2021 SNSF Professorships
170184 Spin physics of zigzag graphene nanostructures 01.10.2017 China 2016

Abstract

Open-shell nanographenes are very promising both for spin-based quantum technologies on one hand, and as building blocks of artificial spin lattices with very strong quantum fluctuations on the other hand. In this project we shall combine rational chemical synthesis, Scanning Tunneling Microscopy (STM), spectroscopy (STS), single spin electron paramagnetic resonance (STM-EPR), atom manipulation and advanced theoretical physics and quantum chemistry methods to pave the way towards several groundbreaking applications, including spin qubits, spin quantum sensors and quantum simulation. Within a highly interdisciplinary team, PiMag targets the following ambitious goals. First, we develop novel synthetic routes that permit preparation of atomically precise nanographenes on insulating layers. Second, we set the stage for single spin readout based on STM-EPR and explore the spin properties of nanographenes with unprecedented atomic resolution. Third, we explore p-electron quantum magnetism by probing decoherence times and the fine structure of nanographenes with a total spin larger than zero. Fourth, we demonstrate chemical engineering of exchange coupling in nanographenes with covalently linked phenalenyl and triangulene subunits.
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