Verschmutzter Diamant für Kommunikation
Silizium-Farbzentren liefern neues System für die Quanten-Informationsverarbeitung.
Physikern ist ein wichtiger Schritt bei der Erforschung neuer Informationstechnologien gelungen. Dabei spielen Diamanten eine Rolle. Die im Labor hergestellten Diamanten sind bis auf eine Verunreinigung hochrein. In den Einschlüssen ist es möglich, den Zustand von Elektronen zu verändern und so Informationen zu speichern. Deren Übertragung geschieht mit Lichtteilchen. Die Forscherteams haben eine solche Verunreinigung mit Silizium hergestellt. Das sogenannte Farbzentrum besitzt sehr gute optische Eigenschaften und ist hervorragend geeignet, um Informationen zu übertragen, so die Forscher.
Abb.: Das Silizium-Fehlstellen-Farbzentrum im Diamantgitter (vorne) bestehend aus Fehlstellen (transparent) in Kombination mit einem Siliziumatom (gelb). Vorraussetzung für die Untersuchung der Eigenschaften des Defekts waren hochreine Diamanten. (Bild: C. Hepp)
„Für unsere Arbeiten brauchen wir Diamanten, die einen speziellen Einschluss, genauer gesagt, einen Defekt aufweisen“, erklärt Christoph Becher, Professor für Experimentalphysik an der Universität des Saarlandes. „Dieser besteht oft aus einem Stickstoffatom und einer angrenzenden Leerstelle in der Gitterstruktur des Diamanten. Diese Kombination wird auch Farbzentrum genannt.“
Bestrahlt man die Diamanten nun mit einem Laser, beginnen die Farbzentren Licht auszusenden – ebenso wie es Atome tun. „Dieses Licht trägt Informationen über den internen Zustand des Farbzentrums mit sich“, sagt Becher. So können die Wissenschaftler gezielt Informationen von einem Quantensystem auf ein anderes übertragen. Zusätzlich kann im Zustand der Elektronen des Farbzentrums Information lokal gespeichert werden. Diese Technologie ist beispielsweise Grundlage für den Quantencomputer.
Praktisch hat das Stickstoff-Farbzentrum jedoch einen entscheidenden Nachteil: Seine optischen Eigenschaften sind alles andere als optimal. Das bedeutet, dass in den meisten Fällen die Information, die aus den Stickstoff-Farbzentren im Diamant übertragen werden sollte, unterwegs verloren geht.
In der nun publizierten Studie haben die Wissenschaftler statt des Stickstoffs Siliziumatome als Verunreinigung im Diamant verwendet. Die optischen Eigenschaften des resultierenden Silizium-Farbzentrums sind deutlich vielversprechender. Jedoch waren die elektronischen Eigenschaften bislang unklar.
In Zusammenarbeit mit den theoretischen Physikern Adam Gali aus Ungarn und Jeronimo Maze aus Chile haben die Forscher zunächst ein theoretisches Modell entworfen, das die atomaren Wechselwirkungen erklärt. Diese theoretischen Ansätze konnten sie auf Basis gemeinsamer Experimente mit der Universität Cambridge nun überprüfen und verfeinern. Für die Experimente wurden Diamanten verwendet, die Wissenschaftlern aus Innsbruck und Augsburg eigens für die Experimente produziert hatten.
Die Experimente in Cambridge und Saarbrücken haben zugleich den Grundstein für die gezielte Manipulation der elektronischen Zustände gelegt. Damit haben die Wissenschaftler einen wichtigen Schritt in Richtung Quanteninformationsverarbeitung mit diesen Farbzentren vollzogen. Die Informationsübertragung mit dieser Technologie ist aber nicht nur für das Quantencomputing interessant. Die optischen Eigenschaften der Silizium-Farbzentren könnten auch mikroskopisch kleine Sensoren ermöglichen, die zum Beispiel in den Lebenswissenschaften zum Einsatz kommen können und aufklären könnten, was in Zellen auf atomarer Ebene vor sich geht.
U. d. Saarlandes / PH
