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.
- 3D-Magnetfeld-Experiment an BESSY II bringt Spintronik voran(Fe0.63Ni0.3Pd0.07)3P oder kurz FNPP ist ein magnetisches Material, das auch schon bei Raumtemperatur komplexe magnetische Strukturen zeigt. Das macht das Material für die Spintronik interessant, die Datenverarbeitung mit deutlich weniger Energieeinsatz ermöglichen würde, zum Beispiel neuartige Datenspeicher. Allerdings müsste es dafür gelingen, die gewünschten Strukturen kontrolliert zu erzeugen und zu verändern, und das ist bisher noch eine Herausforderung. Eine neue Studie unter Federführung des HZB ist hier nun einen Schritt vorangekommen. Mit einem weltweit einzigartigen Instrument, dem VEKMAG an BESSY II, zeigten sie, dass ein sehr kleines äußeres Magnetfeld in der Ebene der Strukturen ausreicht, um diese zu verändern.
- Grüner Wasserstoff: Ultradünne Nickeloxidschichten erweisen sich als überlegenUltradünne Nickeloxid-Beschichtungen können die Leistung von Wasserelektrolyseuren mit Anionenaustauschmembran (AEM) deutlich verbessern. Dies hat ein Team um Dr. Michelle Browne nachgewiesen: Eine nur 10 Nanometer dicke Nickeloxidschicht übertrifft dabei die Leistung von herkömmlichen Nickeloxid-Pulverelektroden, benötigt dabei jedoch weniger als 1 % des Katalysatormaterials. Die Studie ist im „Journal of Materials Chemistry A“ veröffentlicht.
- BESSY II gibt Einblick in die Oxidationsprozesse von KupferBevor sich reines Kupferoxid bildet, entstehen komplexe Superstrukturen aus Kupfer- und Sauerstoffatomen wie „29“CuxO. Einblicke in diese „29“-CuxO-Superstruktur sind relevant für die Katalysatorforschung und den Korrosionsschutz bei der Entwicklung von Kupferbehältern für Endlager für radioaktive Abfälle.