Graphenschicht liest optische Information aus Nano-Diamanten elektronisch aus

Vision eines zukünftigen Quantencomputers mit Nanodiamanten als Quantenregister und Graphen-Ausleseeinheit / Bildquelle: Christoph Hohmann / Nanosystems Initiative Munich (NIM)

Aus Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamanten ließen sich wichtige Komponenten eines Quantencomputers bauen. Doch bisher war es nicht möglich, die optisch ins System geschriebene Information elektronisch wieder auszulesen. Mit Hilfe von Graphenschichten hat ein Wissenschaftlerteam um Professor Alexander Holleitner von der Technischen Universität München (TUM) nun eine solche Leseeinheit realisiert.

Mess-Chip zum Auslesen der Information aus Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Nanodiamanten / Bildquelle: Astrid Eckert / TUM

Zwischen zwei Goldelektroden liegt eine Graphenschicht, auf der Nanodiamanten mit Stickstoff-Fehlstellen-Zentren liegen. Dank der Graphenschicht kann man die optische Information aus den Nanodiamanten elektrisch auslesen / Christian Hohmann / Nanosystems Initiative Munich (NIM)

Idealer Weise 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 könnten als hochempfindliche Sensoren oder als Registerbausteine für Quantencomputer eingesetzt werden – doch bisher gab es keinen Weg, die optisch hinein gesteckte Information elektrisch wieder auszulesen. Ein Team unter Leitung von Professor 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.

Bestrahlt man einen solchen Nanodiamanten mit Laserlicht, so hebt ein Licht-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, so Professor Alexander 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 (Billionstel Sekunden). Damit können die Wissenschaftler die Vorgänge genau verfolgen. Nach Andreas Brenneis, Doktorand, der zusammen mit Louis Gaudreau die Messungen durchgeführt hat, müsste die Technik prinzipiell auch mit Farbstoffmolekülen funktionieren. Ein Diamant enthält rund 500 solcher Fehlstellen, aber die Methode ist so empfindlich, dass auch einzelne Farbstoffmoleküle gemessen werden können. 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.

Die Arbeit wurde aus Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich, NIM und SFB 631), des European Research Councils (ERC Grant NanoREAL, CarbonLight), der Fundacio Cellex Barcelona, des Marie-Curie International Fellowship COFUND sowie des ICFOnest Programms und des Center for NanoScience (CeNS) München unterstützt. An der Publikation wirkten Physiker der TU München, der Universität Augsburg, des Walther-Meißner-Instituts der Bayerischen Akademie der Wissenschaften und des ICFO-Institut de Ciencies Fotoniques in Castelldefels nahe Barcelona mit.

Publikation: Ultrafast electronic readout of diamond nitrogen-vacancy centres coupled to graphene, Andreas Brenneis, Louis Gaudreau, Max Seifert, Helmut Karl, Martin S. Brandt, Hans Huebl, Jose A. Garrido, Frank H. L. Koppens and Alexander W. Holleitner, Nature Nanotechnology, Advanced online publication, 1. Dezember 2014 – DOI: 10.1038/nnano.2014.276.

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