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B10: Optimale Kontrolle der multiferroischen Quantendynamik in oxidischen Nanostrukturen

Theoretische Konzepte und Lösungsverfahren aus den Gebieten der korrelierten Vielteilchensystemen, der nichtlinearen Dynamik und der Quanteninformationsverarbeitung kombiniert, um die multiferroische Quantendynamik in niederdimensionalen Heterostrukturen für neuartige quantenthermodynamische bzw. Quantenkommunikationsanwendungen zu funktionalisieren. Das Projekt macht sich das Zusammenspiel von Spinordnung und Ferroelektrizität zu Nutze, um den Informationstransfer, vermittelt durch Ladung, Spin, Gitter und/oder thermische Anregungen, gezielt zu kontrollieren. Konkrete technische Anwendungen wie multiferroische Dioden und ultraschnelle Kanäle für Quanteninformationstransfer werden analysiert und auf die praktische Umsetzbarkeit hin durch entsprechende Simulationen mit spezifischen Materialien untersucht.

Folgende Themen werden behandelt:

Nicht-thermische, ultraschnelle Erzeugung und Kontrolle von reinem Spinstrom durch laser-getriebenes Spin-Pumpen an Grenzflächen multiferroischer Heterostrukturen. Dabei nehmen helikale Komposite eine zentrale Rolle ein. Mit dem erzeugten reinen Spinstrom können Spinstrom-aktive Elemente energiesparend angetrieben werden.
Aufgrund der intrinsischen Kopplung der Phononen- und Spinfreiheitsgraden sind einphasige multiferroische helikale Strukturen für Anwendungen im aufstrebenden Feld der Quantenthermodynamik ideal geeignet. Insbesondere die gezielte Kontrolle der Quanteneigenschaften (z. B. das Energiespektrum) durch äußere Felder, die Skalierbarkeit und die Integrationsfähigkeit in vorhandener Elektronik stellen Alleinstellungsmerkmale von Multiferroika dar und sollten zu neuartigen Konzepten auf der Grundlage realisierbarer Strukturen führen. Konkret untersuchen wir das Konzepte von elektrisch und/oder magnetisch durchstimmbaren multiferroischen thermischen Dioden, die auf der Basis von Elektromagnonen betrieben werden, und erarbeiten Methoden, um die Effizienz solcher Systeme zu berechnen.
Die Kopplung zwischen den elastischen und den Spinmoden ist auch bestens für die kohärente Kontrolle von Quanteninformationsfluss geeignet. Wir untersuchen wie Phononen in einem multiferroischen System als ultraschnelle Transferkanäle für Quanteninformation, die in der Spinkonfiguration kodiert ist, fungieren können.