Die Nutzung der Unvollkommenheiten von Diamanten eröffnet neue Grenzen in der Entwicklung von Quantensensoren

Quantendefekte haben das Potenzial, als hochempfindliche Sensoren zu fungieren, die neue Arten der Navigation oder biologischen Sensortechnologie ermöglichen könnten.

Eine Art dieser Defektsysteme, Stickstofffehlstellenzentren (NV) in Diamanten, können nanoskalige Magnetfelder messen. Aber während Wissenschaftler den Quantenspin dieser Zentren – einzelne Defekte im Diamanten, in denen Stickstoff den Kohlenstoff ersetzt hat – kontrollieren können, wissen sie immer noch nicht vollständig, wie sie diesen Spin am besten von den Spins anderer Defekte im Material isolieren können. Dies kann sein Quantenzustandsgedächtnis oder seine Kohärenz zerstören.

Nur wenn Wissenschaftler und Ingenieure genau untersuchen, wie dieses Material auf atomarer Ebene funktioniert, können sie das Potenzial dieser Sensoren erkennen. In einer neuen Forschung an der Pritzker School of Molecular Engineering (PME) der University of Chicago haben Forscher im Labor von Prof. David Awschalom eine neue Methode entwickelt, um den Defektspin zu nutzen, um das Verhalten anderer Einzelelektronendefekte im Diamanten zu messen.

Dieses neue Verständnis, veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchungsollen noch bessere Quantensensoren entstehen, die lange Kohärenzzeiten aufrechterhalten können.

„Wir haben eine Möglichkeit entwickelt, bestimmte Verhaltensweisen einzelner Quantenspinzustände zu erkennen, die sonst für Standardmessungen unerreichbar waren“, sagte Awschalom. „Dies wird sich sowohl auf die Art und Weise auswirken, wie wir Quantensysteme konstruieren, als auch darauf, wie wir über die Ladung in vielen Materialien denken.“

Eine Möglichkeit finden, Hintergrundgeräusche zu messen

Unter der Leitung von PME Ph.D. Das Forschungsteam, Absolvent und derzeitiger Postdoktorand Jonathan Marcks, synthetisiert diese NV-Zentren in Einrichtungen des Argonne National Laboratory. Sie lassen Diamant Schicht für Schicht durch chemische Gasphasenabscheidung wachsen und können nur wenige Nanometer Stickstoffdotierstoffe einbringen, um einzelne NV-Zentren zu erzeugen.

Diese einzelnen Spindefekte sind hochkohärent, ihr Spin reagiert jedoch immer noch empfindlich auf das Verhalten anderer Defektspins im Material. Denn egal, wie sorgfältig der Diamant gezüchtet wird, am Ende entstehen immer unbeabsichtigte Stickstoffdefekte, die ihren eigenen Spin haben. Dies führt zu einer Dekohärenz im System und beeinträchtigt dessen Nützlichkeit als Sensor.

„Selbst wenn wir eine gute Kontrolle darüber haben, wo wir Stickstoff einbringen, kommt es immer zu diesem Hintergrundrauschen“, sagte Marcks. „Da wir hochkohärente Stickstoff-Leerstellenzentren aufbauen wollen, wollten wir besser verstehen, wie sich diese umgebenden Defekte verhalten und miteinander koppeln.“

Messung einer Elektronenladung in der Nähe

Um diese einzelnen elektronischen Stickstoffdefekte besser zu verstehen, verwendete das Team einen Laser und ein selbstgebautes Mikroskopsystem, um das NV-Zentrum zu vermessen. Die Anzahl der Photonen, die das NV-Zentrum emittiert, hängt vom Spinzustand des NV-Zentrums ab. Da diese Zentren mit anderen Spins interagieren, erkannte das Team, dass sie das NV-Zentrum als nanoskaligen Sensor der benachbarten Stickstoffelektronenladung nutzen könnten, die ansonsten unsichtbar wäre.

Der Prozess ermöglichte ihnen die erste Beobachtung der gekoppelten Spin- und Ladungsdynamik innerhalb dieses Materials – bis hin zu einzelnen Defekten.

„Wir haben erwartet, dass die Stickstoffdefekte alle nur einen einzigen Ladungszustand haben würden, aber tatsächlich wechseln sie hin und her und befinden sich nicht immer im gleichen Ladungszustand“, sagte Marcks. „Das ist etwas anderes, als wir aus der Festkörperphysik angenommen haben.“

Das Team schloss sich mit Prof. Aashish Clerk und Prof. Giulia Galli zusammen, deren Teams die theoretischen und rechnerischen Werkzeuge bereitstellten, die es den Forschern ermöglichten, ihre Beobachtungen besser zu verstehen.

Letztendlich wird das Team dieses Wissen nutzen, um nicht nur das Verhalten dieser Materialsysteme besser zu verstehen, sondern auch bessere Quantensensoren zu bauen.

„Durch die Kombination von Experiment, Theorie und Berechnung haben wir Ideen, wie wir extrem saubere Materialien für neue Quantentechnologien herstellen und einige dieser internen Rauschquellen kontrollieren können“, sagte Galli.

Weitere Autoren des Artikels sind Mykyta Onizhuk, Yu-Xin Wang, Yizhi Zhu, Yu Jin, Benjamin S. Soloway, Masaya Fukami, Nazar Delegan und F. Joseph Heremans.