Quantenemitter in Diamant
Optisch aktive Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (NV-Zentren) in Diamanten haben sich in den letzten Jahren als gut kontrollierbare, künstliche Atome in Festkörpern etabliert. Sie eignen sich insbesondere zur Messung von Quanteneffekten und erlauben so hochpräzise Messungen. Wir sind daher neben der Quantenmetrologie mit NV-Zentren auch am besseren Verständnis der Stickstoff-Fehlstelle im Diamant-Festkörper interessiert.
Untersuchung von Ladungseffekten und paramagnetischen Proben:
In diesem Projekt untersuchen wir die Ladungskonversion des negativ geladenen NV-Zentrums zum neutral geladenen NV-Zentrum in einem einzelnen Nanodiamanten. Insbesondere interessieren wir uns für die Einflüsse dieser Ionisation auf das Messverfahren der T1-Relaxometrie. Hierfür wenden wir gängige Pulssequenzen an und untersuchen die Fluoreszenz der beiden NV-Ladungszustände unabhängig voneinander in getrennten Detektoren. Die Verbesserungen der Pulssequenzen, die wir durch unsere Ergebnisse erzielen, werden wir nutzen, um paramagnetische Proben in der Nähe des Nanodiamanten zu charakterisieren. Siehe hierzu: arXiv:2301.01063
Quantenabstandsmessungen:
Rabi-Oszillationen in NV-Zentren in Diamanten können für Abstandsmessungen zwischen einer Antenne und einem NV-Zentrum genutzt werden. Hierfür stellen wir in einem additiven Verfahren (metallisches direktes Laserschreiben) Silberstrukturen auf der Spitze einer Glasfaser her, die als Antenne für Mikrowellenanregungen im NV-Zentrum verwendet werden. Der Abstand zwischen Antennenstruktur und NV-Zentrum in einem Diamanten lässt sich dann über dessen Rabi-Frequenz ermitteln, welche wir optisch durch die Glasfaser messen. Derzeit arbeiten wir daran die Sensitivität zu quantifizieren und mit experimentellen Methoden wie „Spin-to-Charge Conversion“ und „Double Quantum Spin Magnetometry“ zu verbessern. https://doi.org/10.3390/mi10120827 / https://doi.org/10.1063/5.0100330
Kollektive Effekte
Schwarmverhalten, wie wir es etwa von Vögeln und Fischen kennen zeigt sich auch in der Quantenwelt. Ziel unserer Forschung ist es, dieses kooperative Verhalten von Quantenensemblen zu verstehen und für zukünftige Anwendungen nutzbar zu machen.
In Nanodiamanten mit einer hohen Anzahl an NV-Zentren sind Quantenemitter in einem Volumen kleiner als ihre Emissionswellenlänge eingeschlossen. In diesem Fall kann das System als kohärentes Quantenensemble beschrieben werden und es kommt zur beschleunigten kollektiven spontanen Photoemission eines makroskopischen Dipols, welche auch Superradianz genannt wird. Dabei verringert sich die Fluoreszenzlebenszeit und die zugrunde liegende Photonenstatistik.
Unsere Forschung in diese Richtung zielt darauf ab, dieses kollektive Verhalten in verschiedenen Systemgrößen zu charakterisieren und die Skalierbarkeit von solch kollektiven Quanteneffekten zu untersuchen. Dazu nutzen wir verschiedene Agglomerate von Nanodiamanten und detektieren die Photoemission von verschieden großen NV-Ensemblen. Die quantenoptischen Observablen sind dabei die Fluoreszenzlebenszeit und die Photonenkorrelationsfunktion zweiter Ordnung.
Unsere bisherigen Ergebnisse zeigen eine erhöhte spontane Photoemission und die erwartete Änderung der Photonenstatistik. Dabei zeigt unsere quantitative Analyse, dass kollektive Effekte mit der Systemgröße insgesamt ansteigen, aber dieses kollektive Verhalten nur in kleineren Domänen beobachtet wird.
Quanteneffekte in Wellenleiterstrukturen
Wir stellen dreidimensionale Netzwerke von Lichtwellenleitern auf optischen Chips mit Hilfe von Multiphotonenlithografie her. Diese Variante des additiven 3D-Druckes auf der Mikrometerskala ermöglicht eine schnelle Prototypenentwicklung. Ziel der Wellenleiternetzwerke ist die präzise Kontrolle von Mode und Polarisation der geführten Photonen. https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5124618
