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Information von Stickstoff-Fehlstellen in Diamant lässt sich auf Graphenschicht übertragen.
Idealerweise besteht ein Diamant aus reinem Kohlenstoff. Doch in der Natur sind immer auch kleine Verunreinigungen darin zu finden. Am besten untersucht sind Doppelfehlstellen, die aus einem Stickstoffatom und einer Leerstelle bestehen. Sie lassen sich als hochempfindliche Sensoren oder als Registerbausteine für Quantencomputer einsetzen – doch bisher gab es keinen Weg, die optisch hinein gesteckte Information elektrisch wieder auszulesen. Ein Team unter Leitung von Alexander Holleitner, Physiker an der TU München und Frank Koppens, Physikprofessor am Institut de Ciencies Fotoniques nahe Barcelona, hat nun eine solche Auslesemöglichkeit geschaffen. Basis ist eine direkte Energieübertragung von Fehlstellen in Nanodiamanten auf eine unmittelbar benachbarte Graphenschicht.
Abb.: Laboraufbau zum Vermessen der Wechselwirkungen zwischen Graphen und Nanodiamanten mit eingebauten Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (Bild: A. Eckert / TUM)
Bestrahlt man einen solchen Nanodiamanten mit Laserlicht, so hebt ein Photon im Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum ein Elektron von seinem Normalzustand in einen angeregten Zustand. „Das System aus dem angeregten Elektron und dem verlassenen Grundzustand kann man als Dipol auffassen“, sagt Holleitner. „Dieser Dipol erzeugt in der nahegelegenen Graphenschicht wieder einen Dipol aus einem Elektron und einer Leerstelle“. Doch während in den rund 100 Nanometer großen Diamanten die einzelnen Fehlstellen-Zentren voneinander isoliert sind, ist die Graphenschicht elektrisch leitend. Zwei Goldelektroden erfassen die erzeugte Ladung und machen sie elektronisch messbar.
Wesentlich für diesen Versuchsaufbau ist, dass die Messung extrem schnell geschieht. Denn nach wenigen Milliardstel Sekunden würde sonst das erzeugte Elektron-Loch-Paar wieder verschwinden. Doch die in Holleitners Labor entwickelte Technik erlaubt Messungen im Pikosekundenbereich. Damit können die Wissenschaftler die Vorgänge genau verfolgen.
„Prinzipiell müsste unsere Technik auch mit Farbstoffmolekülen funktionieren“, sagt Doktorand Andreas Brenneis, der zusammen mit Louis Gaudreau die Messungen durchgeführt hat. „Ein Diamant enthält rund 500 solcher Fehlstellen, aber die Methode ist so empfindlich, dass wir auch einzelne Farbstoffmoleküle messen könnten.“
Aufgrund der extrem schnellen Schaltgeschwindigkeit der von den Wissenschaftlern entwickelten Nanoschaltkreise könnten mit dieser Technik aufgebaute Sensoren nicht nur extrem schnelle Vorgänge messen, sondern würden – eingebaut in einem zukünftigen Quantencomputer – auch extrem hohe Taktraten bis in den Terahertz-Bereich ermöglichen.
TUM / DE
