Hochschule RheinMain

von Omar Alosch, Studierender im Master Angewandte Physik

Stickstoff-Fehlstellenzentren (Nitrogen-Vacancy Centers, NV-Zentren) sind Punktdefekte im Diamantkristallgitter, bestehend aus einem substitutionellen Stickstoffatom und einer benachbarten Leerstelle.

Negativ geladene NV-Zentren besitzen einen Gesamtspin S = 1 mit den Spinunterzuständen m_s = 0, m_s = +1 und m_s = −1. Aufgrund ihrer besonderen elektronischen Eigenschaften eignen sich Diamanten mit NV-Zentren als Quantensensoren zur Messung von Magnetfeldern und Temperaturänderungen.

Bei Ensemblemessungen werden mehrere NV-Zentren gleichzeitig ausgelesen, wodurch sich das Signal-Rausch-Verhältnis verbessern lässt. Dieses Verfahren wird in der vorgestellten Arbeit genutzt.

Ohne äußeres Magnetfeld sind die Zustände m_s = ±1 in guter Näherung energetisch entartet und durch eine Nullfeldaufspaltung von etwa 2870 MHz vom Zustand m_s = 0 getrennt. Die Zustände können optisch spinerhaltend angeregt und über ihre spinabhängige Fluoreszenz ausgelesen werden.

In Anwesenheit eines äußeren Magnetfeldes wird die energetische Entartung der Zustände m_s = ±1 durch den Zeeman-Effekt aufgehoben, wodurch unterschiedliche Resonanzfrequenzen entstehen (s. Abb. unten rechts). Diese werden mittels Mikrowellenanregung in der ODMR-Spektroskopie bestimmt. Aus einem ODMR-Spektrum lassen sich u.a. Informationen über die Stärke und Richtung des Magnetfeldes sowie über Temperaturänderungen gewinnen.

Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurde ein ODMR-Spektrometer erfolgreich aufgebaut und in Betrieb genommen (s. Abb. unten links). Zum Einsatz kommen kommerzielle NV-Diamanten mit unterschiedlichen Dotierkonzentrationen, die mittels CVD (Chemical Vapor Deposition) oder HPHT (High Pressure High Temperature) hergestellt wurden.

Ziel ist die Integration einzelner NV-Zentren auf einem Chip, um Magnetfelder mit hoher Empfindlichkeit und räumlicher Auflösung zu erfassen.