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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.
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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.
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