Institut für QuantenMaterialien und Technologien (IQMT)


Willkommen am IQMT

Moderne Elektronik basiert auf halbleitenden Materialien, in denen das Verhalten der Elektronen sehr gut durch die Gesetze der Quantenmechanik beschrieben wird, wie sie zu Beginn des 20. Jahrhunderts entwickelt wurde. Viele andere ungewöhnliche Aspekte der Quantenphysik wie die Quantenkohärenz, die Überlagerung oder Verflechtung von Zuständen eröffnen grundlegend neue Perspektiven auf eine 'zweite Quantenrevolution' auf den Gebieten der Informations-, Kommunikations- und Computer-Technologie. Die Beobachtung dieser Phänomene in normalen Materialien ist schwierig und stellt ein noch weitgehend unerforschtes Arbeitsgebiet dar.

Am Institut für QuantenMaterialien und Technologien (IQMT) sollen in enger Zusammenarbeit von Theorie und Experiment solche Quantenphänomene in Festkörper- und Molekülsystemen untersucht werden und an einer Umsetzung in neuartige Bauelemente gearbeitet werden, die als Bausteine zukünftiger Quantentechnologien Verwendung finden könnten.

 

Publication Highlights / News

Auswirkung natürlicher Radioaktivität auf supraleitende Qubits

Eine Arbeitsgruppe unter führender Beteiligung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) untersuchte die Auswirkungen natürlicher Radioaktivität auf den Betrieb von supraleitenden Qubit-Schaltungen. Einfallende hochenergetische Teilchen brechen Cooper-Paare in Quasiteilchen auf und erzeugen hierdurch über die gesamte Chip-Fläche zeitlich und räumlich korrelierte Schauer solcher energiereicher Anregungen, die nicht nur die Qubits destabilisieren, sondern durch die kohärente Destabilisierung großer Schaltungsbereiche auch Qubit-Fehlerkorrektur-Schaltungen unwirksam machen können. Unter normalen Laborbedingungen wurde nun ungefähr alle 10 Sekunden das Auftreten eines solche Quasiteilchen-Schauers beobachtet. In einem Experiment im Untergrundlabor Laboratori Nazionali del Gran Sasso und unter Verwendung einer Bleiabschirmung konnte das Auftreten solcher Quasiteilchen-Schauer um einen Faktor 30 reduziert und die interne Dissipation in den supraleitenden Schaltungen um einen Faktor 2 - 4 abgesenkt werden: Dies belegt die erhebliche Bedeutung dieser nicht-thermischen Erzeugung von Quasiteilchen bei der Qubit-Betriebstemperatur ∼ 0.1 K, bei der thermische Quasiteilchen vollständig unterdrückt werden.

Nat. Commun. 12 (2021) 2733

Elektromigration und Quantenphasenschlupf in Al-Nanodrähten

Aluminium ist derzeit das bevorzugte Material für supraleitende QuBit-Schaltungen. Bei Verkleinerung der Strukturen bis in den nm-Bereich macht sich aber die Körnigkeit der Mikrostruktur im elektrischen Verhalten bemerkbar, sodass Nanodrähte bei sehr tiefen Temperaturen je nach dem Schaltungszustand der als Josephson-Kontakte wirkenden Verbindungen zwischen den nm-großen supraleitenden Al-Körnern unterschiedlichstes elektrisches Verhalten zeigen können. Am IQMT wurde nun in Zusammenabeit mit dem PI(KIT), der MISIS Universität Moskau und der RMIT Universität Melbourne ein Verfahren entwickelt, bei dem der normalleitende Widerstand RN solcher Nanodrähte gezielt um bis zu 3 Größenordnungen gesenkt und hierdurch wahlweise isolierendes, metallisches oder supraleitendes Verhalten eingestellt werden kann. Bei dieser internen Elektromigration ("IEM") werden bei einer sukzessiven Erhöhung der Stromstärke der Pulse offensichtlich jeweils die mit dem höchsten elektrisch Teilwiderstand verbundenen Körner voll supraleitend verbunden, sodass damit der Gesamtwiderstand als Funktion der Strompulsstärke in immer kleiner werdenden Stufen verringert werden kann. Die RN-Variabilität ermöglichte die Bestätigung des theoretisch vorhergesagten Quantenphasenschlupf-Verhaltens ("QPS") von supraleitenden Nanodrähten. Durch die Dualität von Ladung und quantenmechanischer Phase ergibt sich damit die Perspektive zum Aufbau einer neuartigen, zu Josephsonkontakt-Schaltungen analogen QPS-Quantenelektronik.

ACS Nano 15 (2021) 4108

Verbesserte Lichtemission einzelner H2Pc-Moleküle durch Aufladung

In einer KIT-Zusammenarbeit von IQMT, INT, TFP und APH wurde die Elektrolumineszenz von einzelnen auf einer dünnen NaCl-Schicht auf einer Au(111)-Oberfläche adsorbierten H2Pc-Molekülen untersucht. Im Rastertunnelmikroskop-Experiment wurde eine neue helle Emissionslinie entdeckt, die durch einen Vergleich mit den quantenchemischen Rechungen dem positiv geladenen Zustand des Moleküls zugeordnet werden konnte. Die theoretische Modellierung zeigte dabei, dass die Lichtemission des geladenen Moleküls um einen Faktor 19 effizienter ist als die des ungeladenen Moleküls, da sich dessen Struktur durch die Aufladung so verändert, dass das molekulare Dipolmoment eine vertikale Komponente entwickelt, welche die Auskopplung der im Molekül entstehenden Strahlung drastisch verbessert.

Nano Lett. 10 (2020) 7600

Keine Divergenz der nematischen Suszeptibilität in CsFe2As2

CsFe2As2 weist mit einem Sommerfeld-Koeffizienten von 180 mJ/(mol K2) den größten Elektronen-Beitrag zur spezifischen Wärme unter allen bekannten Fe-basierten Supraleitern auf, ein Wert der nur mit dem von Schwerfermionen-Materialien vergleichbar ist und die extrem starken elektronischen Korrelationen belegt. Mittels einer auf dem piezoelektrischen Effekt beruhenden Dehnungszelle konnte nun bei der Messung der Elastoresistanz, der Dehnungsabhängigkeit des elektrischen Widerstands, die thermische Ausdehnung neutralisiert und dadurch ein in der Fe2As2-Schichtebene weitgehend symmetrisches Antwortverhalten des Elektronensystems beobachtet werden. Eine bislang vermutete Divergenz der nematischen Suszeptibilität, der Brechung der Symmetrie bezüglich der Richtungen in dieser Ebene, kann somit ausgeschlossen werden. Die Messdaten lassen sich mit einem Schwerfermionen-Verhalten bei tiefen Temperaturen verstehen, das zu höheren Temperaturen hin aufgrund der hinsichtlich der Atomabstände extrem empfindlichen Orbital-selektiven Mott-Physik zu einer kontinuierlichen Abnahme der Kohärenz der schweren Quasiteilchen führt.

Phys. Rev. Lett. 125 (2020) 187001

Rein optische Polarisation des Grundzustands von Eu-Kernspins

In einer Zusammenarbeit von CNRS-Université de Strasbourg, KIT und der Université PSL (Paris Sciences & Lettres) gelang ein weiterer Schritt hin zu einer auf Einzelmolekülen basierenden Schnittstelle zur Speicherung der Quanteninformation von kohärentem Licht in Atomkern-Spins: Bei 1.4 K konnte im Absorptionsspektrum eines auf zwei Eu(III)-Ionen basierenden Molekülkomplexes ein langlebiges spektrales Loch gebrannt werden, was eine effiziente Polarisation des Grundzustands der Spins der Seltene-Erden-Ionen belegt, die sich in Form einer optischen Kohärenz-Lebensdauer T2opt=14.5±0.7 ns und einer Grundzustands-Populations-Lebendauer der Kernspins T1spin=1.6±0.4 s quantifizieren lässt. Dies ist eine Grundvoraussetzung für eine rein optische Initialisierung und Adressierung von Kernspins.

Nat. Commun. 12 (2021) 2152

Dotierungsabängigkeit der nematischen Fluktuationen in FeSe1-xSx

In einem internationalen Gemeinschaftsprojekt mit Beteiligung des IQMT wurden mittels Raman-Streuung die nematischen Fluktuationen in FeSe1-xSx-Einkristallen als Funktion des Schwefelgehalts x zu beiden Seiten des nematischen quantenkritischen Punkts (QCP) xc ≈ 0.17 untersucht. Die Raman-Spektren im nematischen B1g-Kanal setzen sich aus zwei Komponenten zusammen, von denen aber nur diejenige mit der geringeren Energie klare Anzeichen von kritischem Verhalten zeigt und den frei beweglichen Landungsträgern zugeordnet wird. Dies passt zu dem physikalischen Bild eines Hund-Metalls, in dem sich die elektronischen Freiheitsgrade aufspalten in frei bewegliche Landungsträger und lokal gebundene Momente. Eine Curie-Weiss-Analyse der mit den Letzteren assoziierten nematischen Suszeptibilität deutet auf einen substantiellen Effekt der nemato-elastischen Kopplung hin, die eine Verschiebung des nematischen QCP zur Folge hat und das Ausbleiben einer Erhöhung der supraleitenden Sprungtemperatur am QCP erklären könnte.

npj Quantum Mater. 6 (2021) 37

A. Haghighirad ist "Highly Cited Researcher" 2020

Amir-Abbas Haghighirad ist einer der acht Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des KIT unter den " Highly Cited Researchers" des Jahres 2020, einer von der Web of Science Group geführten Rangliste. Sie nennt die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, deren Publikationen am häufigsten zitiert wurden. Für die aktuelle Liste werteten die Autoren Veröffentlichungen der Jahre 2009 bis 2019 aus. Eine Publikation gilt erst dann als "Highly Cited", wenn sie in ihrem Fachgebiet und ihrem Erscheinungsjahr zu den Top 1 % der Gesamtzitationen zählt.

Marginale-Fermi-Flüssigkeits-Verhalten von SrIrO3

SrIrO3 gilt als ein Kandidat für ein korreliertes Dirac-Halbmetall. Das nun über Raman-Streuung ermittelte dynamische Verhalten der Elektronen und Löcher in diesem Material kann gut mit der phänomenologischen Theorie der marginalen Fermi-Flüssigkeit mit frequenzunabhängigen Streuraten nahe dem Planckschen Limit beschrieben werden.

Nat. Commun. 11 (2020) 4270

DFG unterstützt ELASTO-Q-MAT-Initiative

Ein neuer überregionaler Forschungsverbund (SFB-TRR) ELASTO-Q-MAT zwischen dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT), der Goethe-Universität Frankfurt, der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz, dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz und dem Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden wird Quantenmaterialien untersuchen, deren Eigenschaften sich durch elastische Verformung drastisch ändern lassen.

EMA-Dominique-Givord-Preis 2020 an Wolfgang Wernsdorfer

Der Dominique-Givord, der alle drei Jahre von der European Magnetism Association (EMA) an einen oder mehrere herausragende Wissenschaftler für Fortschritte in der Magnetismusforschung vergeben wird, geht in diesem Jahr an Wolfgang Wernsdorfer für seine Arbeiten zu Einzelmolekül-Magneten, Magnetisierungstunneln and molekularer Spintronik.

Nematische Korrelationslänge in Fe-basierten Supraleitern

Für FeSe und Ba(Fe1-xCox)2 As2 (x = 0.03, 0.06) wurde mittels inelastischer Röntgenstreuung die Dispersion des weichen transversal-akustischen Phonons gemessenen und daraus die nematische Korrelationslänge ξ bestimmt Die für alle Proben gefundene Temperaturabhängigkeit ξ ∝ (T-T0)-0.5 zeigt zusammen mit früheren Arbeiten zum Curie-Weiss Verhalten der nematischen Suszeptibilität Molekularfeld-Verhalten des nematischen Phasenübergangs. Dies weist auf eine beträchtliche nemato-elastische Kopplung hin, die sich wohl nachteilig auf die supraleitenden Eigenschaften auswirkt.

Phys. Rev. Lett. 124 (2020) 157001

Hector-Wissenschaftspreis 2020 für Wolfgang Wernsdorfer

Wolfgang Wernsdorfer erhält in diesem Jahr den mit 150 000 Euro dotierten Wissenschaftspreis der Hector-Stiftung für seine Leistungen bei der Quantencomputing-Grundlagenforschung zu Nanomagneten und elektronischen Schaltkreisen. Er wird zudem als Mitglied in die Hector Fellow Academy aufgenommen.
Unser Glückwunsch!

Nematischer Quantenphasenübergang trennt Supraleitungsphasen in FeSe0.89S0.11

Der nematische elektronische Zustand und damit verbundenenen Fluktuationen werden als Kandidat für den Mechanismus der Cooperpaar-Bildung in Supraleitern diskutiert. In FeSe0.89S0.11 konnte durch Kombination von chemischem und hydrostatischem Druck ein nematischer Quantenphasenübergang untersucht werden, bei dem keine konkurrierenden magnetischen Phasen diesen Effekt überlagern. Quantenoszillationen in hohen Magnetfeldern zeigen die Veränderung der Fermiflächen und der elektronischen Korrelationen als Funktion des angelegten Drucks und belegen einen Lifshitz-Übergang zwischen zwei unterschiedlichen Supraleitungsphasen.

Nat. Phys. (2019) 41567

Otto-Haxel-Preis 2018 für Sebastian Kuntz

Am 4. September 2019 erhielt unser Kollege Sebastian Kuntz einen der drei gemeinsam vom KIT sowie den Universitäten Heidelberg und Göttingen vergebenen ‘Otto-Haxel-Auszeichnungen für Physik 2018’ .
Unser Glückwunsch!

Rekord-Magnetisierung in FePt-Nanomaterialien

Mit ferromagnetischen FePt-Nanopartikeln wurde bei Raumtemperatur ein Energieprodukt von 80 MGOe erreicht (bisheriger Rekord 59 MGOe in NdFeB). Mittels 3 nm Au-Bedeckung konnte die magnetische Polarisation dieser Nanomagnete um 25% auf über 1.8 T gesteigert werden. Diese außergewöhnliche Magnetisierung und Anisotropie wurde durch verschiedene Abbildungs- und Spektroskopie-Methoden bestätigt.

Small (2019) 1902353

Uniaxialer Druck zur Kontrolle von konkurrierenden Ordnungen in YBa2Cu3O6.67

Mittels hochauflösender inelastischer Röntgenstreuung wurde am Hochtemperatur-Supraleiter YBa2Cu3O6.67 gezeigt, dass unter uniaxialer Druckbelastung in a-Achsen-Richtung in diesem Material eine drei-dimensionale Ladungsdichtewelle (CDW) erzeugt werden kann, und zwar auch ohne ein starkes Magnetfeld, das bislang zur Beobachtung dieses Effekts verwendet wurde. Mit diesem CDW-Übergang ist eine deutliche Absenkung der Energie eines optischen Phonons verbunden.

Science 362 (2018) 1040

Spektrale Evidenz für unbekannte emergente Ordnung in Ba1−xNaxFe2As2

Winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie des Eisen-basierten Supraleiters Ba1−xNaxFe2As2 zeigt sowohl die Reaktion des Elektronensystems auf die nematische Phase als auch eine davon unterscheidbare Veränderung des Elektronensystems, die nicht mit den in diesem System bekannten elektronischen Ordnungen erklärt werden kann.

Phys. Rev. Lett. 121 (2018) 127001

Niederenergetische Phonon-Anomalien In Kupraten

Wir untersuchten mit modernsten Röntgentechniken die Gitterschwingungen in streifen-geordnetem La2−xBaxCuO4 und deren Kopplung an die Ladungsdichtewelle ("CDW"). Wir fanden heraus, dass die bei hohen Temperaturen auftretenden CDW-Fluktuationen eine andere Periodizität als die statische CDW besitzen, aber die gleiche Periodizität wie YBa2Cu3O6+δ, was durch Kopplung zwischen der CDW und Spin-Korrelationen zustande kommen kann. Dies erklärt die unterschiedlichen Wellenvektoren bei YBa2Cu3O6+δ und La2−xBaxCuO4 und legt einen gemeinsamen Ursprung der CDW-Instabilitäten in verschiedenen Kupraten trotz unterschiedlicher Ordnungs-Wellenvektoren nahe.

Phys. Rev. X 8 (2018) 11008

Thermodynamischer Beleg für FFLO-Zustand im KFe2As2-Supraleiter

Wir untersuchten das magnetische Phasendiagramm von KFe2As2 in der Umgebung des oberen kritischen Felds durch Messung des magnetischen Drehmoments und der spezifischen Wärme mittels eines hochauf-lösenden Piezo-Rotationspositionierers, der eine gut kontrollierbare Ausrichtung des Magnetfelds bezüglich der FeAs-Lagen ermöglichte. Bei exakter Ausrichtung des Felds in dieser Ebene beobachteten wir einen deutlich zweifachen Übergang und eine charakteristische Aufwärtsbiegung des Verlaufs des oberen kritischen Felds weit über den Pauli-Grenzwert 4.8 T. Dies ist ein deutlicher Beleg für die Existenz des Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov-Zustands ("FFLO")im Fe-basierten Supraleiter KFe2As2.

Phys. Rev. Lett. 119 (2017) 217002

Magnetische Wechselwirkung dominiert in BaFe2As2

Die Hochtemperatur-Supraleitung in auf Fe basierenden Materialien steht in enger Verbindung mit magne-tischen, aber auch orbitalen, Gitter- und nematischen Freiheitsgraden. Bei der Muster-Ausgangsverbindung BaFe2As2 sprechen die Anisotropien der magnetischen Suszeptibilität und des elektrischen Widerstands bei Anlegen einer starken symmetriebrechenden Dehnung sehr für eine dominante Rolle des Magnetismus in dieser Hierarchie von Wechselwirkungen.

Nat. Commun. 8 (2017) 504

TiOx-Nanoröhren für Gas-Analyse-Multisensoren

Im Hinblick auf kostengünstige, aber dennoch hochempfindliche und -selektive Gas-Sensoren zur zuverlässigen Umweltüberwachung wurden TiOx-Nanoröhren-Schichten auf Multisensor-Array-Chips hergestellt. Bei Betriebstemperaturen bis zu 400 °C konnte eine vielversprechende Empfindlichkeit und Selektivität hinsichtlich organischer Dämpfe im ppm-Bereich gezeigt werden.

Sci. Rep. 7 (2017) 9732

Raman-Streuung an der Higgs-Mode in Ca2RuO4

Die quasi-2d antiferromagnetische Ordnung in Ca2RuO4 wurde als Kondensat von energetisch tief liegenden Spin-Bahn-Exzitonen mit Drehimpuls Jeff=1 beschrieben. Raman-Streuung für unterschiedliche Polarisations-Geometrien erlaubt die Unterscheidung der Amplituden-(Higgs-)-Mode dieses Kondensats von Magnonen-Beiträgen. Zusammen mit neueren Daten aus der Neutronenstreuung ist die ein starker Anhaltspunkt für exzitonischen Magnetismus in Ca2RuO4.

Phys. Rev. Lett. 119 (2017) 67201

Topologische Isolatoren: Elektron-Phonon-Kopplung

Die Elektron-Phonon-Wechselwirkung im metallischen Oberflächenzustand von 3D Topologischen Isolatoren wurde auf der Basis einer grundlegenden Theorie überarbeitet. Für Bi2Se3 und Bi2Te3 ergibt sich eine schwache Gesamtkopplungskonstante < 0.15. Die vorherrschende Kopplung kommt durch optische Moden mit polarem Charakter zustande, der nur schwach von dem metallischen Oberflächenzustand abgeschirmt wird. Diese Kopplung kann durch Dotierung in Festkörper-Volumenzustände weiter verringert werden.

Sci. Rep. 7 (2017) 1059

Analyse der SL-Paarbildung über inelastische STM

Die Berücksichtigung von inelastischem Tunneln ist wesentlich für die Interpretation von Tunnelspektren unkonventioneller Supraleiter und die direkte Erfassung von elektronischen und bosonischen Anregungen über Rastertunnelmikroskopie (STM). Für den auf Eisen basierenden Supraleiter LiFeAs ergibt sich damit eine starke Evidenz für einen nichtkonventionellen Paar-bildungsmechanismus, wahrscheinlich über magnetische Anregungen.

Phys. Rev. Lett. 118 (2017) 167001

Entropie-Wandlung in magnetischen CePdAl-Phasen

In CePdAl existiert eine langreichweitige antiferromagnetische Ordnung zusammen mit einer geometrischen Frustration eines Drittels der Ce-Momente. Bei tiefen Temperaturen bewirkt der Kondo-Effekt eine Abschirmung der frustrierten Momente. Bei Unterdrückung dieser Kondo-Abschirmung mittels eines Magnetfelds maximieren die freigesetzten Momente die magnetische Entropie und sorgen für eine starke Erhöhung der Frustration, die mittels der beobachteten erhöhten Entropie quantifiziert werden kann.

Phys. Rev. Lett. 118 (2017) 107204

Schalten eines großen anomalen Hall-Effekts

Antiferromagnetische Mn5Si3-Einkristalle wiesen einen außerordentlich großen, stark anisotropen anomalen Hall-Effekt auf: Er zeigt mehrfache Übergänge mit Vorzeichenwechsel bei verschiedenen Magnetfeldern aufgrund feldinduzierter Umordnung der magnetischen Struktur bei nur sehr geringer Veränderung der Gesamtmagnetisierung.

Sci. Rep. 7 (2017) 42982