Quantensensorik mit Diamantdefekten unter extremen Bedingungen

• Antragsteller: Professor Dr. Christoph Becher; Professor Dr. Alexander Kubanek
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 499192368

In den letzten zwei Jahrzehnten wurde das Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (NV-Zentrum) in Diamant zur Demonstration und Entwicklung einer Vielzahl von Sensorprotokollen für statische magnetische und elektrische Felder, Druck, Temperatur oder fluktuierende Felder genutzt. Unternehmen und Start-ups bringen derzeit NV-Sensoren auf die nächste Stufe der Technologiereife. Es hat sich jedoch auch gezeigt, dass solche Geräte gewisse Mängel aufweisen, insbesondere bei der Erfassung sehr hoher Magnetfelder (> 1 Tesla) und hoher Spannungen (> 100 GPa). Diese Nachteile könnten durch die Verwendung von Gruppe-IV-Fehlstellen-Zentren in Diamant, insbesondere SiV-, GeV- und SnV-Zentren, überwunden werden. Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung von Quantensensoren auf Diamantbasis für die Messung bei hohen Magnetfeldern und hohen Spannungen, was allgemein als "Messung unter extremen Bedingungen" bezeichnet werden kann. Im Mittelpunkt des Projekts steht die Herstellung von Gruppe-IV-Fehlstellen-Zentren knapp unter der Diamantoberfläche mit hervorragenden optischen und Spin-Kohärenz-Eigenschaften. Vorläufige Schätzungen zeigen, dass die Kohärenzzeiten, abhängig von den genauen experimentellen Bedingungen, mittels Elektron-Phonon-Engineering um zwei Größenordnungen über das derzeit erreichbare Maß hinaus erhöht werden könnten. Die Fortschritte in der Technik werden durch theoretische Arbeiten unterstützt, die Einblicke in die grundlegenden Grenzen der optischen und Spin-Kohärenzzeiten von Gruppe-IV-Fehlstellen-Zentren liefern werden. Diese Zentren werden dann zur Demonstration von zwei Nachweisprotokollen verwendet, die die Grenzen der auf NV-Zentren basierenden Technologien überschreiten: (i) Quantenmagnetometrie bei Magnetfeldern im Tesla-Bereich; (ii) Quantensensorik bei Spannungen >100 GPa. Für letzteres streben wir die Messung des Magnetfelds sowie des gesamten Spannungstensors und seiner Verteilung im Diamantkristall bei "extremen" Drücken an. Neben der experimentellen Demonstration dieser Protokolle werden die Arbeiten im Rahmen des Projekts neue Erkenntnisse über die grundlegenden Eigenschaften von Punktdefekten unter extremen Bedingungen liefern und das allgemeine Wissen über Diamant als Quantenmaterial erweitern. Grundlegende Aspekte der Defektphysik werden durch eine sehr enge Zusammenarbeit zwischen Theorie und Experiment untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Litauen, Schweiz, Ungarn
• Kooperationspartner: Professor Dr. Audrius Alkauskas; Professor Dr. Adam Gali; Professor Dr. Patrick Maletinsky; Professor Dr. Jean-François Roch