Elegantes Verfahren zum Auslesen von Einzelspins über Photospannung
Der grüne Laser regt in den NV-Zentren Ladungsträger an, die von Oberflächenzuständen eingefangen werden. Die Abtastspitze fährt über die Oberfläche und misst in der Umgebung eines NV-Zentrums die Potenzialdifferenz. Mit Mikrowellen lassen sich die Spinzustände der NV-Zentren manipulieren. © Martin Künsting / HZB
Diamanten mit spezifischen Defekten können als hochempfindliche Sensoren oder Qubits für Quantencomputer genutzt werden. Die Quanteninformation wird dabei im Elektronenspin-Zustand der Defekte gespeichert. Allerdings müssen die Spin-Zustände bislang optisch ausgelesen werden, was extrem aufwändig ist. Nun hat ein Team am HZB eine elegantere Methode entwickelt, um die Quanteninformation über eine Photospannung auszulesen. Dies könnte ein deutlich kompakteres Design von Quantensensoren ermöglichen.
Defekte in Festkörpern sind zwar manchmal unerwünscht, können aber auch für wunderbare, neue Talente sorgen, zum Beispiel bei Diamanten: Werden so genannte Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV-Zentren) eingebracht, dann lässt sich deren Spinzustand mit Mikrowellen manipulieren; die Information zu einzelnen Spinzuständen kann über Licht ausgelesen werden kann. Damit kommen solche NV-dotierten Diamanten als hochempfindliche Sensoren in Frage, aber auch als Qubits für Quantencomputer.
Bisher: Messung von wenigen Photonen
Um den jeweiligen Zustand des Spins zu ermitteln, müssen jedoch bisher die emittierten Photonen gemessen werden. Da beim Umklappen einzelner Spins nur einzelne Photonen entstehen, ist dieses Signal sehr schwach. Die notwendige Verstärkung ist aufwändig und macht das Design sehr komplex.
Nun: Messung über die Photospannung
Ein Team am HZB hat nun eine neue Methode vorgestellt, um dieses Problem zu lösen. „Die Idee war, dass solche Defektzentren nicht nur einen Spinzustand besitzen, sondern auch über elektrische Ladungen verfügen“, sagt Dr. Boris Naydenov. Die Physiker nutzten daher eine Variante der Rasterkraftmikroskopie, die Kelvin-Probe-Force-Mikroskopie (KPFM): Dabei regt ein Laser die NV-Zentren an, erzeugt dort freie Ladungsträger, die von Oberflächenzuständen eingefangen werden und rund um ein NV-Zentrum eine messbare Spannung erzeugen.
Auslesung von Einzelspins
„Die so erzeugte Photospannung hängt vom Elektronenspin-Zustand des NV-Zentrums ab, und dadurch können wir tatsächlich den Einzelspin auslesen“, sagt Sergei Trofimov, der die Messungen im Rahmen seiner Promotion durchgeführt hat. Die neue Methode ermöglicht es sogar, die Spindynamik zu erfassen, indem über eine Mikrowellenanregung die Spinzustände manipuliert werden.
Kompakte Bauelemente
„Dies wäre ein Weg, um wirklich winzige und kompakte Bauelemente auf Basis von Diamant zu entwickeln, da jetzt nur noch geeignete Kontakte benötigt werden, anstelle von aufwändigen Mikroskopoptiken und Einzelphotonendetektoren“, sagt Prof. Klaus Lips, Leiter der Abteilung Spins in der Energieumwandlung und Quanteninformatik. „Die neu entwickelte Auslesemethode könnte auch in anderen Festkörperphysiksystemen eingesetzt werden, bei denen die Elektronenspinresonanz von Spindefekten beobachtet wurde“, schätzt Lips.
- Susanne Nies in EU-Beratergruppe zu Green Deal berufenDr. Susanne Nies leitet am HZB das Projekt Green Deal Ukraina, das den Aufbau eines nachhaltigen Energiesystems in der Ukraine unterstützt. Die Energieexpertin wurde nun auch in die wissenschaftliche Beratergruppe der Europäischen Kommission berufen, um im Zusammenhang mit der Netto-Null-Zielsetzung (DG GROW) regulatorische Belastungen aufzuzeigen und dazu zu beraten.
- Langzeit-Stabilität von Perowskit-Solarzellen deutlich gesteigertPerowskit-Solarzellen sind kostengünstig in der Herstellung und liefern viel Leistung pro Fläche. Allerdings sind sie bisher noch nicht stabil genug für den Langzeit-Einsatz. Nun hat ein internationales Team unter der Leitung von Prof. Dr. Antonio Abate durch eine neuartige Beschichtung der Grenzfläche zwischen Perowskitschicht und dem Top-Kontakt die Stabilität drastisch erhöht. Dabei stieg der Wirkungsgrad auf knapp 27 Prozent, was dem aktuellen state-of-the-art entspricht. Dieser hohe Wirkungsgrad nahm auch nach 1.200 Stunden im Dauerbetrieb nicht ab. An der Studie waren Forschungsteams aus China, Italien, der Schweiz und Deutschland beteiligt. Sie wurde in Nature Photonics veröffentlicht.
- Energie von Ladungsträgerpaaren in Kuprat-VerbindungenNoch immer ist die Hochtemperatursupraleitung nicht vollständig verstanden. Nun hat ein internationales Forschungsteam an BESSY II die Energie von Ladungsträgerpaaren in undotiertem La₂CuO₄ vermessen. Die Messungen zeigten, dass die Wechselwirkungsenergien in den potenziell supraleitenden Kupferoxid-Schichten deutlich geringer sind als in den isolierenden Lanthanoxid-Schichten. Die Ergebnisse tragen zum besseren Verständnis der Hochtemperatur-Supraleitung bei und könnten auch für die Erforschung anderer funktionaler Materialien relevant sein.