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Kohärente Manipulation wechselwirkender Spinanregungen in maßgeschneiderten Halbleitern

Kohärente Manipulation wechselwirkender Spinanregungen in maßgeschneiderten Halbleitern

Ziel

Der internationale Sonderforschungsbereich (SFB) TRR 160 ist fokussiert auf Forschung in theoretischer und experimenteller Festkörperphysik unter Beteiligung russischer und deutscher Institutionen mit ausgewiesener Expertise. Zentraler Gegenstand des SFB sind die Entwicklung und Umsetzung von Strategien, mit denen wechselwirkende Spinanregungen in dafür speziell entwickelten Materialien verlässlich manipuliert werden können, weit über den momentanen Stand der Wissenschaft hinaus.


Diese Materialien umfassen hauptsächlich Halbleiter mit starker Wechselwirkung mit ihrer Umgebung, aber auch Atome, die von ihrer Umgebung weitgehend isoliert werden können, sowie korrelierte Systeme mit dominanter Elektron-Elektron-Wechselwirkung. Die Manipulation dieser wechselwirkenden Spinsysteme im Magnetfeld soll hauptsächlich durch Einsatz von Laserlicht oder Mikrowellen, unterstützt auch durch andere Werkzeuge wie elektrische Felder oder Verspannungspulse, erreicht werden. Auf diese Weise könnten neuartige Funktionalitäten mit großer Relevanz z.B. für die Informationstechnologien demonstriert werden. Ein entscheidender Aspekt dabei ist, die Manipulationsschritte möglichst energieeffizient durchzuführen. Denn der gewaltige, stetig anwachsende Energieverbrauch im IT-Sektor stellt eine große Herausforderung für die Zukunft dar. Mit ihren Zielrichtungen eröffnet die Initiative neue Perspektiven, die ultimativ zu “all-in-one-chip”-Lösungen führen und möglicherweise auch Relevanz für den Bereich der Quantentechnologien aufweisen könnten.


Durch die Kooperation wird eine einzigartige wissenschaftliche Umgebung geschaffen, in der der Austausch von Wissen zwischen den beteiligten Institutionen in Russland und Deutschland effizient vorangetrieben wird. Durch vereinte Kräfte ist der wissenschaftliche Fortschritt stark beschleunigt worden, wie in den ersten etwas mehr als vier Jahren der Kooperation eindrucksvoll durch eine lange Liste an hochrangigen gemeinsamen Publikationen belegt wird.


Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Ausbildung einer neuen Generation von hochtalentierten jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern. Ein essentieller Bestandteil dabei ist ein intensives Austauschprogramm zwischen Russland und Deutschland. So muss jedes Mitglied des Promotionsprogramms sich für mindestens sechs Monate an einer Institution im Partnerland aufhalten. Aber auch die erfahren Wissenschaftlern besuchen regelmäßig die Partnerinstitutionen.


Allgemeine Informationen zum Projekt:

Der SFB umfasst drei Projektbereiche: A – Nulldimensionale Spinsysteme, B – Ausgedehnte Spinsysteme, und C – Neue Konzepte für Spinsysteme. Jeder Bereich umfasst 7 bis 9 Projekte. Als regionenübergreifende Intitiative führt der Verbund die Kernexpertisen des Ioffe-Instituts, der St. Petersburg Staatlichen Universität und der TU Dortmund in Materialwissenschaften, kohärenter Spektroskopie und fortgeschrittener Modellierung zusammen. Er koordiniert die Forschung der beteiligten, thematisch verwandten Projekte. Die Forschung geht weit über den momentanen Stand der Forschung nicht nur an den beteiligten Institutionen, sondern auch weltweit hinaus: Die Initiative vertieft unser Verständnis von Spinphänomenen, geht aktuelle Probleme mit alternativen Lösungsmethoden an und entwickelt fundamental neue Konzepte.


Trotz der vielen unterschiedlichen Realisierungen von Spinsystemen, die in den Projektbereichen betrachtet werden, gibt es wichtige Verknüpfungen zwischen ihnen. Diese betreffen sowohl die für die Untersuchungen eingesetzten Methoden  als auch übergreifende physikalische Fragestellungen und Ziele, die sich wie ein roter Faden durch die Projektbereiche ziehen. Beispiele hierfür sind:


  • Optimierung der Orientierung und Manipulation von Spins mit optischen Methoden,
  • Entwicklung von Strategien zur Aufrechterhaltung von Spinkohärenz,
  • Verständnis der Kopplung zwischen Spins an ihre Umgebung,
  • Optimierung der Wechselwirkung zwischen Spins und Manipulation der gekoppelten Systeme,
  • Kopplung von Hybridsystemen aus unterschiedlichen Komponenten für eine optische Kontrolle von Spinanregungen und umgekehrt für eine magnetische Kontrolle von Licht.


Um diese anspruchsvollen Ziele zu erreichen, bedarf es einer engen Kooperation von Theorie und Experiment.


Konsortium

Technische Universität Dortmund, Ruhr-Universität Bochum, St. Petersburg Staatliche Universität, Ioffe-Institut der Russischen Akademie der Wissenschaften (St. Petersburg).


Unterstützung des Projekts

Der SFB wird unterstützt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und der Russian Foundation for Basic Research (RFBR).