Wissenschaftler bringen kristallklare Quantensignale aus Diamanten

Man sagt, man könne den Wald vor lauter Bäumen nicht sehen. Doch oft lohnt es sich, einen genaueren Blick auf die Bäume zu werfen, um das dichte, dornige Ganze zu verstehen. Genau das hat eine Gruppe der Stanford University getan, um ein heikles Quanteninformationsproblem bei Diamanten anzugehen.

Diamanten sind ein Material, das Quanteninformationen speichern kann, und stellen dennoch eine Herausforderung dar: Die Signale der in Diamanten eingebetteten Quanteninformationsbits sind oft chaotisch und inkonsistent. Wissenschaftler haben Erklärungen für diese Inkonsistenz angeboten, aber sie brauchten eine Möglichkeit, die Bestandteile von Diamanten zu untersuchen, um den Übeltäter zu entlarven.

Die Stanford-Gruppe unter der Leitung von Jennifer Dionne tat genau dies, indem sie ein leistungsstarkes Mikroskop verwendete, um die Zusammensetzung des Diamanten auf atomarer Ebene näher zu betrachten. In einem Artikel veröffentlicht In PNASzeigte das Team, dass das bunte Innere des Diamanten die unregelmäßigen Signale der darin eingebetteten Quantenbits größtenteils erklärt.

„Es gab bisher keine gute Methode, die Struktur des Qubits – des Quantenbits – mit dem emittierten Signal zu korrelieren, und doch stellten die Forscher eine beträchtliche Heterogenität in der Emission fest“, sagte Dionne, stellvertretender Direktor von Q-NEXT und Professor für Materialwissenschaften und, ehrenamtlich, für Radiologie in Stanford. „Wir haben uns dem Problem angenommen, indem wir die Struktur auf atomarer Ebene mit Quanteneigenschaften verknüpft haben.“

Siliziumleerstelle

Die Gruppe arbeitete mit einem Qubit-Typ namens Silizium-Leerstellenzentrum. Dabei werden zwei Kohlenstoffatome aus Diamant entfernt und durch ein Siliziumatom ersetzt. Da ein Atom den Platz von zwei Atomen einnimmt, entsteht auf beiden Seiten des Siliziumatoms eine Lücke – ein halbgefülltes Loch.

Silizium-Leerstellenzentren sind vielversprechend für Quantensensoren, die eine um ein Vielfaches höhere Präzision als die besten heutigen Werkzeuge erreichen können, sowie für Quantenkommunikationsnetzwerke, die aufgrund ihrer Quantennatur praktisch abhörsicher sind.

Die Dionne-Gruppe untersuchte Silizium-Fehlstellenzentren in Diamant-Nanopartikeln, winzigen Diamantstücken mit einem Durchmesser von einigen hundert Nanometern. Typischerweise sind mehrere Leerstellen über die gesamte Probe verstreut, wie Löcher in einem Schwamm.

Das Signal eines Leerstellenzentrums hat die Form eines Photons – eines Lichtteilchens. In einer perfekten Welt fungiert eine Leerstelle in einem Diamanten als zuverlässige Photonenfabrik, die jedes Mal, wenn eins vom Fließband kommt, zuverlässig den gleichen Photonentyp produziert – dieselbe Farbe, dieselbe Helligkeit.

„Wir wollen nicht unterscheidbare Photonen“, sagte Daniel Angell, Erstautor des Artikels, der die Forschung während seines Doktorandenstudiums in Stanford durchführte.

Doch Wissenschaftler sahen, dass aus den Diamantquellen Photonen in unterschiedlichen Farben und Helligkeiten austraten. Das veranlasste die Dionne-Gruppe, tiefer zu graben.

Die vielen Facetten des Diamanten

Ein Diamant ist ein kunterbuntes Gebilde. Wie die meisten Kristalle besteht ein Diamant aus Regionen, die wie unregelmäßig geformte Legosteine ​​aneinander grenzen. Die Regionen – oder Domänen – unterscheiden sich durch ihre atomaren „Körner“, ähnlich der Maserung von Holz. Eine Domäne mit diagonal ausgerichteten Atomen kann an eine andere Domäne mit einer von vorne nach hinten ausgerichteten Ausrichtung angrenzen.

Das Team untersuchte die Domänen mit einem Rastertransmissionselektronenmikroskop eine nach der anderen und maß die Photonenemission jeder Domäne – eine hochpräzise Aufgabe, die mit einem weniger leistungsfähigen Gerät praktisch unmöglich wäre. Dabei fiel ihnen ein Muster auf.

„Wir beobachteten diese Diamanten weiter und konnten schließlich diese wirklich coolen, sehr unterschiedlichen Bereiche der Photonenemission erkennen – das Photonenprofil war von einem Bereich zum nächsten unterschiedlich“, sagte Angell.

Die Schlussfolgerung war glasklar: Domänen machen einen Unterschied.

Die Struktur jeder Domäne formt die Leerstelle in ihr, indem sie diese dehnt oder quetscht. Während eine Leerstelle in einer Domäne auf eine Art gequetscht werden kann, kann die Leerstelle daneben anders beansprucht werden.

Die Gruppe fand heraus, dass die Art und Weise der Spannung der Leerstelle sowie ihre Position innerhalb der Kornstruktur die Eigenschaften des emittierten Photons beeinflussen.

Wissenschaftler hatten verschwommene oder inkonsistente Signale von Diamanten gemessen, weil sie die Probe als eine einzige Quelle, einen einzigen Photonenemitter, behandelt hatten. Eine Diamantprobe besteht jedoch aus mehreren dicht gepackten Domänen, von denen jede ihren eigenen Photonenemitter beherbergt. Die Forscher hatten das Signal des Waldes gemessen, nicht das der Bäume.

„Die Position der Leerstelle im Kristall ist wichtig“, sagte Dionne. „Die verschiedenen Kristallfacetten des Diamanten und die besondere Ausrichtung des Kristalls können sowohl die Helligkeit als auch die Farbe der Emission erheblich beeinflussen.“

Sogar nur geringfügig voneinander entfernte Leerstellen können deutlich unterschiedliche Photonenemissionen erzeugen.

„Wir sahen einen vollkommen diskreten Sprung im Emissionssignal, als zwei freie Stellen nur 5 Nanometer voneinander entfernt waren“, sagte Angell. „Diese fast perfekte Trennlinie zwischen Emissionen im Nanomaßstab – eine klare Verschiebung der Emission – ist etwas, das ich noch nie zuvor gesehen habe. Das sind wirklich faszinierende Daten.“

Kristallklare Klarheit

Angell korrelierte die verschiedenen Kornspannungen mit ihren jeweiligen Photonenprofilen und lieferte den Forschern so eine hochauflösende Spannung- und Emissionskarte, die ihnen zum besseren Verständnis ihrer eigenen Erkenntnisse diente.

Obwohl die Kornvielfalt nicht der einzige Faktor ist, der zu den unscharfen Photonensignalen beiträgt, zeigte die Dionne-Gruppe, dass sie eine bedeutende Rolle spielt.

„Wir weisen darauf hin, wie wichtig es ist, die zugrundeliegende Kornstruktur der untersuchten Kristallpartikel genau zu kennen. Wenn Sie die Emission des gesamten Partikels erfassen und eine verschwommene Emission erhalten, liegt das wahrscheinlich daran, dass sich dort eine Art Korngrenze befindet. Sie erfassen verschiedene Leerstellen mit unterschiedlichen Signaturen und wissen es nicht“, sagte Angell.

Ihre Arbeit hat auch eine größere Reichweite, denn sie lässt sich auch auf andere Mitglieder der Qubit-Familie der Vakanzzentren anwenden.

„Die Tür wurde für eine große Zahl von Studien geöffnet, die eine präzise Struktur-Funktions-Korrelation in Quantensystemen und letztlich eine verbesserte Quantenkommunikation, Quantenvernetzung und Quantensensorik ermöglichen“, sagte Dionne.