Münchner Initiative für interkorrelative Spin-Mikroskopie (MICroCoSM)

• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 491232159

In Quantenmaterialien sind die Spin- und Ladungskorrelationen so stark, dass sie die makroskopischen Eigenschaften des Systems bestimmen. So können plötzlich Quantenphasen mit völlig neuartigem Charakter entstehen, die weit über die konventionellen, vom Kristallgitter oder der Symmetrie abgeleiteten Überlegungen hinausgehen, wie z. B. Supraleitung oder nicht-triviale Topologie. Der konventionelle Ansatz zur Untersuchung dieser emergenten Phasen stützt sich auf globale Messgrößen, die durch elektrische oder optische Spektroskopie untersucht werden können. Aus dieser makroskopischen Sichtweise kann nur auf die Form und den Ursprung der Vielkörper-Wechselwirkungen geschlossen werden, die der Grund für das Entstehen neuer Quantenphasen sind. Die Rekonstruktion der einzelnen Elektron-Elektron- oder Spin-Spin-Wechselwirkungen, die letztlich diese emergenten Phasen antreiben, ist eine gewaltige Herausforderung an der Spitze der Quantenwissenschaft, deren Fortschritt dadurch behindert wird, dass spektroskopische Werkzeuge fehlen, die Empfindlichkeiten für beide Freiheitsgrade auf dem einzelnen Quantenniveau kombinieren. Dieser Bedarf wurde in verschiedenen internationalen Workshops und Reviews an der vordersten Front der Quantenmaterie identifiziert.Das übergeordnete Ziel der Münchner Initiative für Cross-Correlative Spin-Mikroskopie (MICroCoSM) ist es, die Untersuchung von Quantenmaterialien im Nanobereich und hybriden Quantensystemen mit Hilfe der hochauflösenden und vor allem multimodalen Spektroskopie zu ermöglichen, die durch spitzenbasierte Stickstoff-Vakanz (NV) Quantensensoren angeboten wird. Das einzigartige vorgeschlagene System verschiebt die Grenze des experimentellen Stands der Technik, indem es spitzenbasierte, zeitaufgelöste Einzelspinspektroskopie bei niedrigen Temperaturen in hohen Magnetfeldern ermöglicht. Diese Fähigkeiten sind einzigartig, aber notwendig, um die Spin- und Ladungskonfigurationen von Quantenmaterie zu manipulieren und zu untersuchen. Darüber hinaus wird das vorgeschlagene Instrument über ein ausgeklügeltes optisches Design verfügen, um fortschrittliche optische Spektroskopie-Experimente zu ermöglichen, die in Echtzeit die Messungen der NV-Sonde im Nanobereich mit globalen Messgrößen korrelieren. MICroCoSM wird völlig neue Einblicke in den anspruchsvollen, aber kritischen Phasenraum von Einzelteilchen-Wechselwirkungen bis hin zu einer globalen Quantenphase ermöglichen und überwindet damit die wichtigsten experimentellen Hindernisse zum Verständnis der Emergenz in Quantenmaterie.

• DFG-Verfahren: Großgeräteinitiative
• Großgeräte: Cryogenic AFM-tip-based NV Magnetometer
• Gerätegruppe: 5040 Spezielle Mikroskope (außer 500-503)
• Antragstellende Institution: Technische Universität München (TUM)
• Leiter: Professor Dr. Jonathan J. Finley