Institut

Peter Grünberg Institut (PGI)

Funktionale Materialien und Emergente Phänomene

Motivation

Dieser Forschungsschwerpunkt im PGI beschäftigt sich mit bisher unbekannten physikalischen Phänomenen in Materialien, die außergewöhnliche Leistungen bei der Energieverteilung, Quantenkohärenz oder dem nichtlinearen Verhalten zeigen.

Diese Materialien dienen als Grundlage, um neue Konzepte und Bauteile zur Verbesserung der Informationsverarbeitung und -übertragung zu entwickeln. Verschiedene Anwendungen von neuromorphen und Quantencomputern haben unterschiedliche Anforderungen. Diese müssen in Zukunft durch eine Vielzahl von Materialien erfüllt werden.

The Functional Materials and Emergent Phenomena area pursues a two-pronged objective: It contributes to the big idea of exploring the broad spectrum and constant flux of emerging materials and novel phenomena so that the next generation of quantum and neuromorphic technologies for sensing, computing, modeling and communication can become more accurate and efficient. It takes up the challenge to turn a scientific discovery into a materials stack designed and optimized for devices.

Grundlagen

Information kann physikalisch in der Oberflächenbeschaffenheit, den Orbitalen, der Topologie, der Magnetik, der Elektronik, den Spinzuständen oder den Vielteilchenzuständen von Materie kodiert sein. Dies wird durch die Beziehung zwischen Materie, Strukturen und Phänomenen ermöglicht. Der Begriff Materie umfasst dabei Bereiche von Atomen, Molekülen, Nanostrukturen bis hin zu Oberflächen, Festkörpern und deren komplexen Architekturen. Durch die Kontrolle der Materiezustände können Informationen kodiert und über stark korrelierte Systeme in kürzester Zeit übertragen werden.

Wir stellen Materialien gezielt her und lassen sie auf atomarer Ebene wachsen, um ihre Eigenschaften gezielt einzustellen und schließlich individuelle Funktionen für neue Computertechnologien bereitzustellen. Dies erfordert fortgeschrittene Wachstumstechniken und entsprechende experimentelle Techniken zur in-situ-Analyse. Wir nutzen neue theoretische und experimentelle Methoden, die wir selbst entwickeln, um aus der Kombination von Simulation und Experiment Vorhersagemodelle und rationale Designregeln zu entwickeln.

Infrastrukturen & Kooperationen

Wichtige unterstützende Infrastrukturen in Jülich auf diesem Gebiet sind:

Das Ernst Ruska-Centrum (ER-C), das mikroskopische und spektroskopische Methoden mit Elektronen bereitstellt.
Die Helmholtz Nano Facility (HNF), Prozesse zur Fertigung von Mikro- und Nanostrukturen für alle Fachbereiche des Forschungszentrums Jülich bereitstellt.
Das Jülich Supercomputing Centre (JSC) unterstützt mit den Rechnerarchitekturen und Know-How komplexe, theoretische Simulationen.

Unsere Ziele im Überblick:

Herstellung von Quantensystemen durch präzise Manipulation einzelner Atome, Moleküle oder durch maßgeschneidertes Wachstum von 2D- und 3D-Festkörpern.
Entwicklung von Protokollen zur Demonstration von phasenkohärenter Kontrolle, Kopplung an ein Quantennetzwerk und Korrelation von lokalisierten Quasiteilchenzuständen.
Quantenkohärente Experimente auf der Nanoskala als Grundlage für künftige Qubit-Plattformen. Diese können spinbasiert sein oder kollektive Freiheitsgrade wie Majorana-Fermionen beinhalten.
Grundlagenforschung zur Quantendynamik außerhalb des thermischen Gleichgewichts.
Neue Wege des Materialdesigns durch Umkehrung der Schrödingergleichung in Verbindung mit Hochleistungsrechnern, maschinellem Lernen, künstlicher Intelligenz und experimenteller Verifikation.
Entwicklung von Entwurfsregeln für verbesserte Quanten- und memristive Materialien und Bauelemente für Quanten- und neuromorphe Berechnungen, einschließlich Vorhersagemodellen.
Entwicklung steuerbarer physikalischer Systeme (elektronisch, physikochemisch, optisch oder spinbasiert) für das Reservoir-Computing oder künstliche neuronale Netze, die durch physikalisch bewusstes Lernen trainiert werden können.