FOR 1493: Diamond Materials for Quantum Application

Teilprojekt "Ultraprecise deterministic doping of diamond"

Die Kontrolle von einzelnen Atomen in Festkörpern und deren Wechselwirkungen bietet eine Vielzahl von möglichen Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung.

Mögliche Realisierung eines skalierbaren Quantencomputers auf Basis implantierter P-Donatoratome im Si-Gitter.

Mögliche Realisierung eines skalierbaren Quantencomputers auf Basis implantierter P-Donatoratome im Si-Gitter. Als Qubits werden die Kernspins der Donatoratome verwendet. Die Hyperfeinwechselwirkung dieser mit den Elektronenspins vermittelt die zum Quantencomputing notwendige Wechselwirkung der Spins untereinander und die zum Auslesen notwendige Ladungsveränderung auf den Elektroden. (B. E. Kane, „A silicon-based nuclear spin quantum computer“, Nature, 393, 133 (1998))

Es existiert eine Reihe von Realisierungsansätzen für Festkörperquantensysteme, wie etwa die Manipulation der Kernspins von in Si dotierten P-Atomen nach B. E. Kane oder der Adressierung der Grundzustands-Zeeman-Niveaus mittels Radiofrequenz in einem Nitrogen-Vacancy (NV) Zentrum in Diamant. Letztere zeichnen sich insbesondere durch die Langlebigkeit ihrer Qubits, ihre Photo- und Temperaturstabilität sowie durch die Möglichkeit der optischen Auslese aus.

Array | Gitterstruktur | Energieschema 

Links: Implantiertes Array von Nitrogen Vacancy Zentren in Diamant mit einem Punkt zu Punkt Abstand von 10µm. Mitte: Gitterstruktur des NVs im Diamantgitter. Der Platz eines C-Atoms im regelmäßigen Gitter ist durch ein N-Atom mit benachbarter Fehlstelle besetzt. Rechts: Energieschema des NV. Als Qubits können die Zeeman-Niveaus des Grundzustandes verwendet werden. 

Die gegenwärtigen Produktionsverfahren genügen jedoch nicht den hohen Anforderungen an die Dotierung, da sie nicht deterministisch sind und die notwendige Auflösung nicht garantieren können. Wir haben daher einen atomaren Nanoassembler entwickelt: Ein neuartiges Gerät, welches es ermöglicht, eine exakt definierte Anzahl von Atomen oder Molekülen in ein Festkörpersubstrat mit einer Präzision im Nanometerbereich bezüglich der Eindringtiefe sowie der lateralen Position zu implantieren. Dieser besteht aus einer linearen segmentierten Paul-Falle, in der Ionen gefangen und mit verschiedenen Verfahren gekühlt werden. Die nun zu einem Coulombkristall formierten Ionen werden aus der Falle herausbeschleunigt und in das Substrat eingebracht.

Ionenfalle | Extraktionsprozess 

Links : Auf Ionenimplantation optimierte Ionenfalle. Sie ist universell einsetzbar, wobei zu extrahierende Ionen mittels Coulombwechselwirkung mit lasergekühlten Ca-Ionen sympathetisch mitgekühlt werden. Rechts: Extraktionsprozess zur Implantation eines Fremdatoms in Festkörper. 

Im Fokus unserer Forschung steht die Entdeckung und Herstellung von neuartigen Quantenmaterialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften für verschiedenste Applikationen: Quantenrepeater, getriggerte Multiphotonquellen, kalibrierte Einzelphotonquellen, Quanteninformationsschaltkreise sowie Sensoren mit beispielloser Genauigkeit. Ein Schwerpunkt unserer Forschung richtet sich dazu auf die Generierung von NV Zentren in Diamant. Um noch während des Implantationsprozesses die erfolgreiche Erzeugung überwachen zu können ist ein konfokales Mikroskop in die Implantationskammer integriert. Auf diese Weise ist es möglich die Erzeugung von Farbzentren in-situ zu verfolgen.

NV Zentren in einem Diamant | Korrelationsmessung

Links: In-Situ Mikroskop Aufnahme eines Musters aus implantierten NV Zentren in einem Diamant. Rechts: g2-Korrelationsmessung eines NV Zentrums. Die Detektionsrate bei kurzen Zeiten zwischen zwei Ereignissen zeigt, dass es sich um ein einzelnes optisch aktives Farbzentrum handelt.