10 Juni Kompakte Quantenbauelemente aus Diamant
Diamanten mit spezifischen Defekten können als hochempfindliche Sensoren oder Qubits für Quantencomputer genutzt werden. Die Quanteninformation wird dabei im Elektronenspin-Zustand der Defekte, den sogenannten Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV-Zentren), gespeichert. Allerdings müssen die Spin-Zustände bislang optisch ausgelesen werden, was sehr aufwändig ist. Um den jeweiligen Zustand des Spins zu ermitteln, müssen 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.
Optisch anregen, elektrisch messen
Ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) hat nun eine neue Methode vorgestellt. „Die Idee war, dass solche Defektzentren nicht nur einen Spinzustand besitzen, sondern auch über elektrische Ladungen verfügen“, sagt der beteiligte Physiker Dr. Boris Naydenov. Die Forschenden 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. Die so erzeugte Fotospannung hängt vom Elektronenspin-Zustand des NV-Zentrums ab. Dadurch lassen sich laut den Forschenden Einzelspins auslesen. Sogar die Spindynamik soll erfasst werden können, indem über eine Mikrowellenanregung die Spinzustände manipuliert werden. „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.
Originalpublikation:
[Sergei Trofimov, Klaus Lips, and Boris Naydenov; Voltage detected single spin dynamics in diamond at ambient conditions; Nature communications (2025); https://www.nature.com/articles/s41467-025-58635-3; DOI: 10.1038/s41467-025-58635-3]
Quelle: www.helmholtz-berlin.de
Bild: Martin Künsting / HZB
