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.
- Ultraschnelle Entmagnetisierung - Dünneres Eisen, stärkere Wirkung
Je dünner eine Eisenschicht, desto leichter lässt sie sich durch einen Laserpuls entmagnetisieren. Forschende der Universität Duisburg-Essen haben gemeinsam mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin und weiteren Partner:innen herausgefunden, warum das so ist: Entscheidend ist die magnetische Ordnung an den Grenzflächen des Materials. Die Erkenntnisse könnten langfristig dazu beitragen, neue Technologien für die magnetische Datenspeicherung zu entwickeln. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Advanced Science veröffentlicht.
- Muster aus polaren Wirbeln in bleifreien Übergittern auf SiliziumEin Team am HZB hat erstmals polare Wirbel in (BaTiO3/SrTiO3)10-Übergittern auf Silizium nachgewiesen. Diese Ergebnisse erweitern das Spektrum an Materialien und Substraten, auf denen polare topologische Texturen auftreten können, und sie eröffnen neue Möglichkeiten für die Einbindung komplexer ferroelektrischer Zustände in siliziumbasierte Technologien.
- Gibt es eine Afrikanische Architektur?Die weltweit erste Pan-African Biennale zu Architektur fand in diesem September in Nairobi, Kenia statt. Menschen aus Architektur, Kunst, Wissenschaft und Politik aus 54 afrikanischen Ländern und der Diaspora waren nach Nairobi gekommen, um sich dort auszutauschen: Zu traditionellen und aktuellen Bauweisen, Materialien, Erfahrungen und Projekten. Samira Aden hat diese Biennale als leitende Kuratorin mit organisiert. Wir haben mit ihr gesprochen.