Nanophysik

Die Nanophysik und alle nanoskaligen Wissenschaften sind seit über zwanzig Jahren stark auf dem Vormarsch und versprechen viele weitere bahnbrechende Entwicklungen.
Die Nanowelt ist ein Land der Zwerge: Wir sind fasziniert von den kleinsten funktionellen Strukturen, aus denen die Materie besteht und die in der Größenordnung eines Nanometers - eines Milliardstels eines Meters - liegen. In der Nanowelt gelten andere Gesetze als in unserer Alltagserfahrung. Quanteneffekte spielen bei den meisten Materialien eine wichtige Rolle und führen zu anderen Eigenschaften, als wir sie im makroskopischen Maßstab kennen.
Die Nanophysik bildet die Grundlage für viele Phänomene in der Medizin, den Biowissenschaften und der Chemie und stellt eine wichtige Schnittstelle zu diesen Wissenschaften dar.
Wir erforschen experimentell die elektronischen und optischen Eigenschaften sowie die Oberflächen einer Vielzahl interessanter und neuartiger Materialien. Diese Forschung basiert auf der Entwicklung und ständigen Verfeinerung von Bildgebungsverfahren im Nanomaßstab, deren Auflösung bis in den atomaren Bereich reicht. Unser Know-how fließt in neue Materialien und verschiedene Technologiebereiche ein: Sensoren im Nanomaßstab, Instrumente für die medizinische Diagnostik, Energieeffizienz und -speicherung sowie Solartechnik.

Quantum-Technologie

Zufall und Ungewissheit als Grundlage für eine technologische Revolution.
Die Phänomene der Quantenphysik lassen sich bei Elektronen, Atomen oder Photonen und in Systemen kondensierter Materie wie Metallen oder Halbleitern beobachten, die in unserem Alltag eine wichtige Rolle spielen. In der Quantenwelt beobachten wir viele faszinierende und auf den ersten Blick ungewöhnliche Phänomene - wie etwa Quantenteilchen, die sich gleichzeitig in einer Überlagerung verschiedener Orte befinden können, oder Quantensprünge, deren genauer Zeitpunkt im Grunde zufällig ist. So rätselhaft diese Phänomene auch erscheinen mögen, es zeichnet sich bereits ab, dass sie die Grundlage für eine Revolution der modernen Technik bilden werden. Es gibt kaum ein anderes Wissenschaftsgebiet, in dem reine Grundlagenforschung und technologische Anwendungen von revolutionärer Tragweite so nahtlos ineinandergreifen.
Ein heißes Thema ist das schnell wachsende Gebiet des Quantencomputings und der Quantentechnologie. Dieses Gebiet verbindet die Quantenphysik mit der Informationstechnologie, um u. a. ultraschnelle Supercomputer und neue Messinstrumente zu entwickeln, die viele Bereiche der Wissenschaft, der Kommunikation und des Internets revolutionieren werden. Die Forscher in unserer Abteilung erforschen viele wichtige Bereiche der Quantenphysik, wie die Festkörperphysik von Metallen, Supraleitern, Halbleitern, Magneten, Graphen, Quanten-Hall- und topologischen Systemen, Tieftemperaturphysik, Rastersondenphysik, Nano- und Quantenoptik sowie die Quantenphysik ultrakalter atomarer Gase.

Gruppe von Prof. A. Hofmann

Unsere Gruppe führt Transportmessungen an Halbleiterbauelementen bei kryogenen Temperaturen durch, um eine Vielzahl physikalischer Phänomene zu untersuchen, wie z. B. die Spin-Orbit-Wechselwirkung (SOI), die Schwer-Loch-Licht-Loch-Mischung, die Annäherung von Halbleitern an Supraleiter, den Quanten-Hall-Effekt und die Thermodynamik.

Gruppe von Prof. P. Maletinsky

Unsere Forschung ist auf die Entwicklung und Anwendung von Sensoren ausgerichtet, die auf individuellen, gut kontrollierten Quantensystemen basieren ("Quantensensorik"). Das Arbeitspferd für unsere Experimente ist das Stickstoff-Vakanzzentrum in Diamant, das aufgrund seiner außergewöhnlichen Spin- und optischen Eigenschaften ein idealer Kandidat für verschiedene Sensorfunktionen im Nanomaßstab ist. Ein wichtiges Thema, das uns interessiert, ist die magnetische und optische Bildgebung im Nanobereich für verschiedene Anwendungen in der Festkörper- und mesoskopischen Physik. Darüber hinaus untersuchen wir nanomechanische Oszillatoren, deren Bewegungsfreiheitsgrade mit einzelnen Spins effizient erfasst (und möglicherweise sogar verschränkt) werden können.

Gruppe von Prof. E. Meyer

Ziel ist es, die Physik von Oberflächen im Nanometerbereich zu untersuchen. Es werden hochempfindliche Kraftsensoren entwickelt. Untersucht werden Phänomene wie die echte atomare Auflösung der dynamischen Kraftmikroskopie, die Reibung auf atomarer Skala, die Kelvin-Kraftmikroskopie und der mechanische Nachweis der magnetischen Resonanz. Eines der Endziele ist der Nachweis einzelner Spins.

Gruppe von Prof. M. Poggio

Wir interessieren uns für den Einsatz hochempfindlicher mikro- und nanomechanischer Resonatoren zur Untersuchung von Quantenzuständen. Wir untersuchen das Quantenverhalten kleiner mechanischer Strukturen, ihre Kopplung mit einzelnen Elektronenzuständen, mit Spinzuständen, mit Licht und mit der sie umgebenden größeren Umgebung. Sensoren, die in der Lage sind, die winzigen Kräfte, die von einzelnen Ladungen oder Spins ausgehen, zu erkennen, ermöglichen die Untersuchung einer breiten Klasse von Problemen in der Physik der kondensierten Materie. Ein verbessertes Verständnis dieser Phänomene kann zu neuen hochauflösenden Bildgebungsverfahren im Nano- und Atombereich führen.

Gruppe von Prof. C. Schönenberger

Unsere Forschung konzentriert sich auf die statischen und dynamischen elektrischen Transporteigenschaften von Nanostrukturen verschiedener Art, darunter normale Metalle, Supraleiter und organische Leiter. Die Strukturen werden entweder durch hochauflösende Elektronenstrahllithographie oder durch einen chemischen Ansatz hergestellt.

Gruppe von Prof. P. Treutlein

Unsere Forschung konzentriert sich auf die Quantenphysik ultrakalter Atome und auf ihre Wechselwirkungen mit festen Mikro- und Nanostrukturen. Das Hauptexperimentierwerkzeug ist ein Atomchip, der es uns ermöglicht, ultrakalte Atome mit einem Laser zu kühlen, einzufangen und kohärent zu manipulieren, und zwar in einem Abstand von einem Mikrometer von der Chipoberfläche. Wir nutzen maßgeschneiderte Potenziale, die durch Mikrostrukturen auf dem Chip erzeugt werden, um quantenoptische Experimente mit Bose-Einstein-Kondensaten (BECs) durchzuführen.

Gruppe von Prof. R. Warburton

Das Labor für Nano-Optik erforscht die Physik der Ladungen und Spins in optisch aktiven Quantenpunkten, Ultramikroskopie und Bio-Imaging, Halbleiterphysik, Optik von Halbleiter-Heterostrukturen und Nanostrukturen.

Gruppe Prof. I. Zardo

Das Nanophonics-Labor erforscht die Gitterdynamik und den Phononentransport in Nanostrukturen, die es ermöglichen, Phononen in größerem Umfang zu steuern als herkömmliche Materialien. Insbesondere wird erwartet, dass die Manipulation von Phononen als kohärente Wellen in Festkörpern eine Feinsteuerung der Wärmeleitung ermöglichen wird, was von grundlegendem wissenschaftlichem Interesse ist und vielversprechende technologische Auswirkungen hat. Darüber hinaus untersuchen wir die Wechselwirkung zwischen Phononen und Ladungsträgern, Spins und Photonen, die bekanntermaßen in elektronischen, optoelektronischen, Quanten-, Schall- und thermischen Geräten von zentraler Bedeutung ist.

Gruppe von Prof. D. Zumbühl

Die Forschung konzentriert sich auf mesoskopische und nanoskalige Physik, Quantenkohärenz, Spin- und Elektronenwechselwirkungen in Halbleiter-Nanostrukturen wie lateral gated quantum dots in GaAs 2D-Elektronengasen sowie Graphen. Wir verfolgen die kohärente Manipulation von quantenmechanischen Freiheitsgraden in Festkörper-Nanostrukturen mit dem Ziel, Quantenberechnungssysteme zu implementieren, zum Beispiel in gekoppelten Elektronenspin-Qubits.

Gruppe von Prof. C. Bruder

Wir nutzen die Methoden der modernen Theorie der kondensierten Materie, um Nanostrukturen (wie halbleitende Quantenpunkte oder metallische bzw. supraleitende Strukturen) zu untersuchen. Diese Systeme zeigen faszinierende Quanteneffekte wie Quantenkohärenz oder Supraleitfähigkeit.

Gruppe von Prof. J. Klinovaja

Unsere Gruppe beschäftigt sich mit vielen Aspekten der Quantentheorie kondensierter Materie mit besonderem Schwerpunkt auf topologischen Effekten und Spin-Phänomenen. Wir erforschen die Physik von topologischen Isolatoren, kohlenstoffbasierten Systemen (Graphen, zweischichtiges Graphen und Kohlenstoff-Nanoröhren), Atomketten, halbleitenden 2DEGs und Nanodrähten. In unserer Arbeit untersuchen wir nicht nur die Eigenschaften bestehender Strukturen, sondern kombinieren auch bekannte Bestandteile, um Systeme mit exotischen Quanteneigenschaften zu "konstruieren", insbesondere in Gegenwart starker Elektron-Elektron-Wechselwirkungen, die mit quantenfeldtheoretischen Methoden behandelt werden.

Gruppe von Prof. D. Loss

Theoretische Studien und Grundlagenforschung in der Physik der kondensierten Materie. Untersuchung wechselwirkender Quantensysteme mit besonderem Schwerpunkt auf Endlichkeitseffekten und Phasenkohärenzphänomenen ("Aharonov-Bohm-Physik" in mesoskopischen Systemen). Theorie der Supraleitung. Coulomb-Blockade-Effekte in Quantenpunkten. Quantencomputer und Quantenkommunikation. Diese Themen stehen in engem Zusammenhang mit Anwendungen wie mesoskopischen Geräten oder magnetischer Speicherung in Computern.

Gruppe von Prof. P. Potts

Die Theorie der Thermodynamik war eine treibende Kraft in der industriellen Revolution. Sie ermöglichte die Entwicklung von Geräten wie Dampfmaschinen und Kühlschränken und hatte damit einen enormen Einfluss. Auf der Nanoskala, wo Systeme Fluktuationen und Quanteneffekten ausgesetzt sind, wird unser thermodynamisches Verständnis immer noch erweitert. Unsere Gruppe ist Teil dieser aufregenden Entwicklung, die wichtige Beiträge zu den aufkommenden Nano- und Quantentechnologien zu liefern verspricht.