Abteilung Spins in der Energieumwandlung und Quanteninformatik
Arbeitsgruppen
Quantum Information with Solid State Spins - (QuISS)
Gruppenleiter: B. Naydenov
Die Arbeitsgruppe „Quantum Information with Solid State Spins“ (AG QuISS) widmet sich der Untersuchung von Quantenmaterialien, die entscheidend für die Entwicklung eines Quantencomputers sind. Dabei konzentriert sie sich auf spin-basierte Qubits. Solche Systeme bieten die Möglichkeit, ihre quantenmechanischen Zustände mit atomarer Präzision zu gestalten, so dass die Konzepte der Verschränkung, der kohärenten Steuerung und der Quantenmessung frei erforscht und genutzt werden können.
Als prominentes Beispiel kann die Produktion von Milliarden atomar identischer molekularer Qubits in Betracht gezogen werden, die alle lange Kohärenzzeiten und einen sehr großen Hilbertraum aufweisen. Ihr Einsatz als geschützte Quantenregister, die auch mit Hilfe der magnetischen Resonanz (NMR, EPR) schnell manipuliert und ausgelesen werden können, konnte nachgewiesen werden. Die AG QuISS konzentriert sich dabei für den Ausleseprozess der Spin-Farbzentren (NV-Zentrum in Diamant), die eine Skalierbarkeit und Integrationsfähigkeit bieten. Mit diesem außergewöhnlichem physikalischem System werden Quantenzustände an Grenzflächen zwischen Diamant und Kernspin-tragenden Molekülen erzeugt und untersucht. Die AG QuISS wird im Rahmen des EPRoC-Projekts ein NV-basiertes AFM in Betrieb nehmen, welches erlauben wird, Magnetospektrometrie mit einer Auflösung auf der Nanometerskala zu betreiben.
Spins in Energy Materials - SPEM
Interims Guppenleiter: B. Naydenov
Die Arbeitsgruppe Spins in Energy Materials (AG SPEM) widmet sich der Identifizierung und Quantifizierung von paramagnetischen Zuständen in Energiematerialien. Die EPR Aktivitäten finden in zwei Joint Labs, dem Berlin Joint EPR Laboratory (BeJEL) zwischen HZB und FU Berlin (u.a. zeitkorrelierte EPR, in Kooperation mit JunProf J. Behrends) sowie mit dem Joint Lab EPR4Energy zwischen MPI-CEC und HZB in Kooperation mit Dr. Alexander Schnegg statt (u.a. Frequenzdomänen-THz-EPR).
Das Labor am Standort Adlershof verfügt über fünf einzigartige EPR Spektrometer, die einen Frequenzbereich von 9 GHz bis über 20 THz abdecken mit magnetischen Feldern bis zu 12 T und als weltweit einmalig gelten. Darüber hinaus wurde März 2020 ein 400MHz NMR-Labor aufgebaut, welches als Nutzerlabor am HZB etabliert werden soll.
Die EPR Aktivitäten finden in zwei Joint Labs, dem Berlin Joint EPR Laboratory (BeJEL) zwischen HZB und FU Berlin (u.a. zeitkorrelierte EPR, in Kooperation mit JunProf J. Behrends) sowie mit dem Joint Lab EPR4Energy zwischen MPI-CEC und HZB in Kooperation mit Dr. Alexander Schnegg statt (u.a. Frequenzdomänen-THz-EPR).
Ein Schwerpunkt der Forschung der AG SPEM liegt auf der Entwicklung und Anwendung neuer operando EPR Methodiken, wie zum Beispiel in situ Photokatalyse (Zusammenarbeit MPG-CEC) oder aber EPR-on-a-Chip (EPRoC), welches in enger Zusammenarbeit mit der Universität Stuttgart entwickelt wird. Ziel ist es neben der Untersuchung von strukturellen und elektrischen Defekten in Solarzellenmaterialien auch den Struktur-Funktionszusammenhang in katalytisch aktiven Grenzflächen sowie in elektrochemischen Prozessen, wie sie in Batteriematerialien stattfinden, zu studieren. Die EPRoC- und NMR-Aktivitäten werden seit Mai 2019 vom BMBF durch ein vom OE-Leiter koordiniertes Netzwerk mit 6,6 M€ gefördert, u.a auch mit dem langfristigen Ziel der Kommerzialisierung. Die Forschung der AG SPEM fokussiert sich neben der Methodenentwicklung und –anwendung der operando EPR-Untersuchung von (photo)katalytischen, elektrochemischen sowie Solarzell-relevanten Anwendungen auch auf die Untersuchung von Ladungstransferprozessen an Heterogrenzflächen mittels Elektrisch Detektierter Magnetischer Resonanz (EDMR) sowie conductive AFM (cAFM), letzteres in enger Zusammenarbeit mit der University of Utah (USA).
Spectral Conversion Systems - SPECS
Gruppenleiter: R. MacQueen
Die Arbeitsgruppe Spectral Conversion Systems (AG SPECS) führt grundlegende und angewandte Untersuchungen von organischen Spektralkonversionsmaterialien durch. Organische Spektralkonversionsmaterialien haben die Fähigkeit zur Exzitonenspaltung und -verschmelzung. Unser primäres Interesse besteht darin, organische Spektralwandler einzusetzen, um die Energieverteilung des auf einen Halbleiter auftreffenden Lichts effektiv zu verändern. Diese spektrale Umformung kann die Effizienz, mit der die Energie des Sonnenlichts in elektrische oder chemische Energie umwandelt wird, wesentlich verbessern. Insbesondere die Nutzung der spektralen Umwandlung ist eine vielversprechende Methode, mit der die Effizienzbegrenzung (Shockley-Queisser-Limit) überwunden werden kann.
Die AG SPECS verfolgt zwei Ziele:
- Ausnutzung der Abwärtskonversion durch Singulett-Spaltung (SF) in Silizium-Solarzellen, bei der über ein Photon zwei Exzitonen erzeugt werden, die dann an einer hybriden Grenzfläche (z.B. Silizium/Tetrazen) getrennt werden können.
- Ausnutzung der Hochkonversion (upconversion), bei der zwei niederenergetische Triplett-Exzitonen, die in einer Schicht organischer Spektralkonversionsmoleküle optisch angeregt werden, über Triplett-Triplett-Annihilation (TTA) in einen hoch angeregten Singulett-Zustand verschmelzen, der dann ein hochenergetisches Photon abgibt, das in einem Absorber mit hoher Bandlücke eingefangen werden kann.
Für SF ist die funktionelle Silizium-organische Grenzfläche eine kritische Komponente. Ein wichtiges Ziel ist es, diese Grenzfläche durch die Kombination von computergestützter Chemie, EPR, Mikroskopie, Fluoreszenzspektroskopie, Pumpsonden- und Röntgenspektroskopie (XPS, UPS, HAXPES) zu verstehen und für eine effiziente Ladungstrennung zu optimieren. Sehr vielversprechende Experimente mit Quantenausbeuten von fast 150% an Silizium-Grenzflächen wurden kürzlich durchgeführt.
Es wird erwartet, dass das SF-Projekt detaillierte Einblicke in neue hybride Silizium-Heterogrenzflächen für die Stromerzeugung durch spektrale Umwandlung liefern und eine neue thematische Richtung für zukünftige Silizium-Bauelemente definieren wird, die die Shockley-Queisser-Grenze überschreiten könnten. Diese Arbeiten sind derzeit über einen Meilenstein in POF III verankert, der in Zusammenarbeit mit dem KIT und NW Nanosippe am HZB in POF IV deutlich ausgebaut werden soll.
Typische Photonen-Upconverter basieren auf organometallischen Komplexen, deren Upconversion-Ausbeute unter Sonneneinstrahlung leider noch zu gering ist. Im Upconversion-Projekt soll die Ausbeute von Upconvertern deutlich verbessert werden, indem molekulare Sensibilisatoren durch dünne hybride Perowskit-Filme ersetzt werden. Dadurch entsteht ein so genannter Energietrichter, der dann auf Metalloxid-Photoanoden mit großer Bandlücke aufgebracht werden kann und zu einer effizienteren solaren Wasserspaltung führt. Es wird erwartet, dass das Projekt technologieorientierte Einblicke in die Lade- und Energieübertragungsprozesse an hybriden Perowskit-Grenzflächen liefern wird.
Die Arbeitsgruppe ist über das Triplettexziton, ein Quasiteilchen mit S=1, eng mit dem zentralen Abteilungsthema Spins verbunden. Triplett-Exzitonen sind der wichtigste elektronische Zwischenzustand in Singulett-Fission- und Triplett-Fusionsprozessen, und die Überwachung der Bildung, Diffusion und des Verbrauchs von Tripletts ist eine Schlüsselkomponente unserer Forschungstätigkeit.
Die Arbeit der SPECS-Gruppe ist hochgradig interdisziplinär und umfasst den Entwurf von Grenzflächen und deren Implementierung in Geräte. Darüber hinaus nutzt die Gruppe elektrische und optische Simulationen in Zusammenarbeit mit EE-NSIP, um die physikalischen Grenzen der spektralen Umwandlung zu bestimmen. Die Molekularsynthese wird in Zusammenarbeit mit Forschungsgruppen in den USA und der Tschechischen Republik durchgeführt, und die DFT-Simulationen werden von der Forschungsgruppe von Dr. Gerstmann (Universität Paderborn) durchgeführt. Die Arbeitsgruppe arbeitet mit Forschungsgruppen in Deutschland, Großbritannien, den Niederlanden, der Tschechischen Republik, den USA und Australien zusammen.