NV-Zentren in Diamant

Überblick Erzeugung Niveauschema und Fluoreszenzspektrum NV-Zentren als Einzelphotonquelle Kernspinmessung bei Raumtemperatur Zusammenfassung und Ausblick

Erzeugung  Stickstoffdefekte homogen verteilt in Typ Ib künstlichem Diamant  Erzeugung zusätzlicher Vacancy- Defekte durch Elektronen- oder Neutronenbestrahlung  Erhitzen ermöglicht Diffusion der V- Defekte zu den Stickstoffatomen  Unbehandelter Ib-Diamant enthält bereits genügend einzelne NV- Defekte

Niveauschema  Gitterschwingungen verbreitern Linienspektrum  Zero Phonon Line und breites Phonon Sideband

Double Well Potential  Defekt symmetrisch bzgl. Vertauschung von N und V  Franck-Condon- Näherung => „senkrechte“ Übergänge

NV-Zentren als Einzelphotonquelle Vorteile  Einfache Handhabung (z.B. durch piezo nanopositioning)  Betrieb bei Raumtemperatur möglich  Robust gegenüber photobleaching-Effekten (im Gegensatz zu z.B. organischen Farbstoffmolekülen)

Aufbau

g ⁽ ² ⁾ (τ) für Anregungsleistungen von a) 0,16 Psat b) 1,6 Psat c) 30 Psat Photonenstatistik (HBT-Messung)

Optische Kernspinmessung bei Raumtemperatur  Kohärenzzeiten des Kernspin deutlich länger als die des Elektronenspin  Elektronische Spinzustände optisch unterscheidbar  Idee: Bilde Kernspin auf Elektronenspin ab

Optische Kernspinmessung bei Raumtemperatur  Idee: Bilde Kernspin auf Elektronenspin ab  Kohärenzzeiten des Kernspin deutlich länger als die des Elektronenspin  Elektronische Spinzustände optisch unterscheidbar

Ergebnisse  Projektive Messung erklärt Rechtecksignal  Ohne Mikrowelle keine Korrelation zw. Kernspin und Fluoreszenz

Ergebnisse  Zwei aufeinanderfolgende Messungen haben mit hoher Wahrscheinlichkeit das gleiche Ergebnis (unteres Histogramm)  Konditionales Einstrahlen eines RF-π- Pulses reduziert die Wahrscheinlichkeit auf ~33%  Geringer Kontrast aufgrund zusätzlicher dunkler Zustände

Zusammenfassung & Ausblick  Leichte Handhabung verglichen mit Atomen  NV-Zentren als stabile Einzelphotonquelle bei RT  Lange Kernspinkohärenzzeiten interessant für QI  NV-Zentren in Resonatoren für schmalere Spektren  Unbekannte Zustände; kompliziertes, noch nicht vollständig vermessenes System

Literatur (1) Spectroscopy on single N-V defect centers in diamond: tunneling of nitrogen atoms into vacancies and fluorescence spectra, Kilin et al, Journal of Luminescence 86 (2000) (2) Stable Solid-State Source of Single Photons, Kurtsiefer et al, Physical Review Letters Volume 85 Number 2 (2000) (3) Single-Shot Readout of a Single Nuclear Spin, Neumann et al, Science 329, 542 (2010) (4) Dark states of single NV centers in diamond unraveled by single shot NMR, Waldherr et al, arXiv: v2 [quant-ph] 28 Mar 2011 (5) Processing quantum information in diamond, Wrachtrup, Jelezko, 2006 J. Phys.: Condensed Matter 18 S807 (6) Single spin states in a defect center resolved by optical spectroscopy, Jelezko et al, Applied Physics Letters Volume 81, Number 12, (2002)