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Experimentalphysik Quantenphysik (Zumbühl)

Projects & Collaborations

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EMP / European Microkelvin Platform

Research Project  | 1 Project Members

The European Microkelvin Platform (EMP) provides access to the ultralow temperature frontier approaching absolute zero. The Platform is continuously evolving by extending its reach, building on the integration achieved through previous infrastructure calls. Europe already has a significant research lead in the microkelvin regime and we will reinforce this by encouraging the further exploitation, in both the shorter and longer term, of ultralow temperatures for the development of new concepts, new applications and new devices, especially in the fields of nanoscience, materials research and quantum technology in all its forms. The EMP is a consortium of 17 partners which provide an extensive portfolio of capacities and expertise in ultralow temperature physics. Since this is a fast evolving and expanding frontier field, we also lay considerable weight on improving and upgrading our infrastructure, since the lowest accessible temperatures are continuously falling. These advances allow us, and our users from across Europe, to study new phenomena, thereby generating new knowledge, applications and commercial opportunities. We have a particular interest in the benefits of ultralow temperature physics for driving forward the inter-related areas of quantum materials, nanoscience, and quantum technology. The activities of the EMP hold enormous potential for innovation.

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Quantum Coherence in Nanoscale Systems

Research Project  | 1 Project Members

Die Quantenphysik wurde zwar schon vor über hundert Jahren entwickelt, allerdings ist es erst in jüngster Zeit, dass wir die Möglichkeiten in Händen halten um einzelne Quantensysteme im Labor zu untersuchen, zu verstehen, und kontrolliert zu manipulieren. Dies öffnet uns die Türen zur fundamentalen Studie der Gesetze der Quantenmechanik, z. B. in nanostrukturierten Proben, und legt das Fundament für zukünftige Quantentechnologien wie Quantencomputing und neue Quantenmaterialien. Die experimentelle Realisierung neuer Quantenzustände in Nanosystemen - mit dem Potenzial zukünftig als Qubits zu fungieren - und die Erforschung der zugrundeliegenden Physik gehört zu den spannendsten und aktivsten Forschungsgebieten der heutigen Festkörperphysik. Lay summary Zahlreiche Arbeitsgruppen arbeiten weltweit daran, mit Hightech-Kühlschränken Temperaturen möglichst nahe am absoluten Nullpunkt zu erreichen. Dieser liegt bei 0 Kelvin oder −273,15 °C. Für Physiker ist es erstrebenswert ihre Apparaturen soweit abzukühlen, dass sie diesem Kältemaximum möglichst nahekommen, da diese extrem tiefen Temperaturen ideale Bedingungen für Quantenexperimente bieten und sich ganz neue physikalische Phänomene untersuchen lassen. Das Prinzip der magnetischen Kühlung kann auch in der Nanoelektronik eingesetzt werden um damit Nanoelektronik Geräte auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abzukühlen. In diesem Projekt wollen wir Temperaturen unter 1 mK in Nanoelektronischen Schaltkreisen erreichen. Bei solch tiefen Temperaturen lassen sich auch stabilere Quanten Bits, kurz Qubits, realisieren, die als Informationseinheit eines zukünftigen Quantencomputers dienen. Wir untersuchen solche Qubits in Halbleitermaterialien und untersuchen sie auf Ihre Stabilität und wie geeignet sie für Quantenrechner sind. Ausserdem untersuchen wir neuartige topologische Randzustände mit Hilfe von Quantendrähten.

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G. H. Endress Postdoc-Cluster

Research Project  | 5 Project Members

Das Departement für Physik der Philosophisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Basel und das Physikalische Institut der Fakultät für Mathematik und Physik der Albert Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau errichten partnerschaftlich ein neues Exzellenzzentrum mit den Forschungsschwerpunkten "Quantum Science and Quantum Computing" unter dem Dach von Eucor - The European Campus . Als tragende Säule dieses Exzellenzzentrums wird ein grenzüberschreitender Postdoc-Cluster zwischen den Universitäten Basel und Freiburg aufgebaut. Primäre Ziele des zukünftigen Postdoc-Clusters sind die hochwertige Ausbildung der Postdocs für den akademischen als auch wirtschaftlichen Arbeitsmarkt und die Positionierung als führende Forschungseinrichtung auf dem Gebiet "Quantum Science and Quantum Computing", im Speziellen durch die verstärkte grenzüberschreitende Zusammenarbeit im Dreiländereck Deutschland-Frankreich-Schweiz. Das Exzellenzzentrum "Quantum Science and Quantum Computing" wird von der Georg H. Endress Stiftung finanziell unterstützt.

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Quantum Coherence in Nanoscale Systems

Research Project  | 1 Project Members

Die Quantenphysik wurde vor über hundert Jahren entdeckt und erstmals entwickelt, allerdings ist es erst in jüngster Zeit, dass wir das Werkzeug und auch die Materialien in Händen halten um Quantensysteme im Labor zu untersuchen, zu verstehen, und kontrolliert zu manipulieren. Dies öffnet uns die Türen zur fundamentalen Studie der Gesetze der Quantenmechanik, z. B. in nanoelektronischen Proben, und legt das Fundament für zukünftige Quantentechnologien wie Quantencomputing und neue Quantenmaterialien. Die experimentelle Realisierung neuer Quantenzustände in nanoskopischen Systemen - mit dem Potenzial zukünftig als Qubits zu fungieren - und die Erforschung der zugrundeliegenden Physik gehört zu den spannendsten und aktivsten Forschungsgebieten der modernen Festkörperphysik.

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Nanostructure Quantum Transport at Microkelvin Temperatures

Research Project  | 2 Project Members

With this PhD thesis project, we propose to significantly advance the nuclear refrigerator (NR) technique in at least two ways: First, in a new generation of network NR, improve material heat leaks (sample holder), microwave filtering and NR design to facilitate cooling of nanosamples below 1 mK, learning from the already running experiment. Also, thermometry needs to be improved, for which we propose to use a SQUID based Johnson-noise thermometer. Then, with a CBT, GaAs quantum dots or other thermometer, ultra-low temperatures need to be demonstrated. Finally, when sufficiently low temperatures have been reached, the nuclear-spin phase transition can be investigated in low-density high mobility 2D electron gases (available to us from Loren Pfeiffer, Princeton) using a quantum point contact as Overhauser field detector. Sample nanofabrication can be done in the SNI clean-rooms in-house. These experiments will be done in close collaboration with the theory group of Daniel Loss. Second, in a technological advance, we propose to use a cryogen-free dilution refrigerator (CFDR) for precooling the NRs. We note that so far, no nuclear cooling whatsoever has been demonstrated on a cryogen-free system. To function efficiently, the CFDR is required to run well below 10 mK, while keeping vibration amplitudes to a very low level. This is a very challenging task, and several stages of vibration damping and decoupling are being investigated in order to reduce the intrinsic coldhead, valve and motor vibrations of the pulsed tube system (in collaboration with BlueFors). The ultimate aim of such a system is to make microkelvin temperatures available without requiring a steady supply of (liquid) Helium - a limited, non-renewable resource - thus significantly reducing the cost of operation and tremendously increasing the space available for experiments at low temperatures. Further, the system needs only electrical power and cooling-water, potentially making microkelvin temperatures widely available to almost any lab in the world. This gives the potential for commercialization of NR systems.