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Mechanische Manipulation molekularer Spins in CNT Resonatoren

Tim Althuon – Hector Fellow Wolfgang Wernsdorfer

Carbon-Nanotube (CNT) Resonatoren werden designt und hergestellt, um deren Eigenschaften als Sensor zu nutzen. Wir werden einen Einzelmolekülmagneten (SMM) auf einem CNT-Resonator aufbringen, um dessen Spinzustände über die mechanischen Oszillationen im CNT zu verändern. Mit diesem nanomechanischen Ansatz lassen sich Einzelmolekülmagnete untersuchen mit der Möglichkeit, diese in zukünftigen Quantentechnologien einzusetzen.

Die Realisierung eines funktionalen Quantencomputers ist eines der ehrgeizigsten technologischen Ziele unseres Jahrhunderts. Eine der größten Herausforderungen liegt darin, Quantensysteme zu finden, die hinreichend von der Umgebung isoliert sind, aber gleichzeitig leicht zugänglich bleiben. Als vielversprechender Kandidat sind Einzelmolekülmagnete (SMMs) Untersuchungsgegenstand dieses Projekts.

Die starke Spin-Phonon-Kopplung zwischen molekularen Spins und den mechanischen Schwingungen in Carbon-Nanotube (CNT) Resonatoren wird ausgenutzt, um kohärente Manipulationen von Kernspinzuständen der molekularen Magnete durchzuführen. Der Grundaufbau (vgl. Abbildung 1) besteht aus einem frei hängenden CNT, das mit Source- und Drain-Elektroden kontaktiert ist und das über mehrere kapazitiv gekoppelte Gate-Elektroden zu mechanischen Schwingungen angeregt werden kann. Ein SMM kann dann auf das CNT aufgebracht werden und untersucht werden. Als erstes könnte die direkte elektrische Manipulation molekularer Spins in CNT-Resonatoren studiert werden, wobei durch die mechanische Isolation vom Substrat lange Relaxations- und Dekohärenzzeiten erwartet werden. Als zweites könnten, in Analogie zu Cavity-QED Experimenten, in denen der Zustand eines Atoms mit Photonen verändert wird, molekulare Spins mit CNT-Phononen manipuliert und ausgelesen werden.

Dieses Projekt adressiert fundamentale physikalische Fragen in Hinsicht auf molekularen Magnetismus, kann andererseits aber auch den ersten Schritt in Richtung molekülbasierter Quantentechnologien legen.

Abbildung 1: Einzelmolekülmagnet (roter Pfeil: Magnetisierungsachse) aufgebracht auf frei hängendem CNT. V_SD: angelegte Spannung zwischen Source und Drain, V_G1,...,V_G5: angelegte Spannung an Gate-Elektroden 1 bis 5, I: zu messender Strom durch CNT.