16.04.2025

Elegantes Auslesen von Einzelspins

Mithilfe einer Photospannung lässt sich der Elektronenspin-Zustand von Diamant-Defekten bestimmen.

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. Jetzt hat ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie eine elegantere Methode entwickelt, um die Quanteninformation über eine Photospannung auszulesen. Dies könnte ein deutlich kompakteres Design von Quantensensoren ermöglichen.

Abb.: Der grüne Laser regt in den NV-Zentren Ladungsträger an, die von... — Abb.: 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.
Quelle: M. Künsting, HZB

Defekte in Festkörpern sind zwar manchmal unerwünscht, können aber auch für neue Talente sorgen, zum Beispiel bei Diamanten: Werden so Stickstoff-Vakanz-Zentren eingebracht, dann lässt sich deren Spinzustand mit Mikrowellen manipulieren. Die Information zu einzelnen Spinzuständen kann dann über Licht ausgelesen werden. Damit kommen solche NV-dotierten Diamanten als hochempfindliche Sensoren in Frage, aber auch als Qubits für Quantencomputer.

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.

Das HZB-Team hat jetzt 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 Boris Naydenov vom HZB. Die Physiker nutzten daher eine Variante der Rasterkraftmikroskopie, die Kelvin-Probe-Force-Mikroskopie. 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 Photospannung hängt vom Elektronenspin-Zustand des NV-Zentrums ab, dadurch können wir tatsächlich den Einzelspin auslesen“, sagt Sergei Trofimov, der die Messungen durchgeführt hat. Die neue Methode ermöglicht es sogar, die Spindynamik zu erfassen, indem über eine Mikrowellenanregung die Spinzustände manipuliert werden.

„Das 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 Klaus Lips, Leiter der Abteilung Spins in der Energieumwandlung und Quanteninformatik am HZB. „Die neu entwickelte Auslesemethode könnte auch in anderen Festkörperphysiksystemen eingesetzt werden, bei denen die Elektronenspinresonanz von Spindefekten beobachtet wurde.“

HZB / RK