Arbeitstreffen bei Hahn-Schickard zur Mikrowelle

Am 04. April hat ein Arbeitstreffen zum Thema Mikrowellenanregung des Diamanten stattgefunden.

Die Mikrowellenanregung ist notwendig, um optisch detektierbare Magnetresonanz (ODMR) messen zu können. Dafür braucht man, neben einem Mikrowellengenerator, auch eine Mikrowellenstruktur, die die Mikrowelle abstrahlt und in den Diamanten einkoppelt. In unseren bisherigen Testaufbauten kam hierfür ein diskret aufgebauter Resonator zum Einsatz.

Dieser besteht aus zwei aneinander gelöteten Hochfrequenzbuchsen (SMA), deren mittlere Pins gekürzt wurden und an die dann ein 1 pF Keramikkondensator sowie eine 2 mm im Durchmesser große Leiterschleife aus Kupferdraht gelötet wurde. In ihrer Mitte sitzt der angeleuchtete Diamant. Zusammen mit einem 50 Ω - Abschlusswiderstand bildet der Aufbau einen nahezu idealen Resonator, mit dem wir die Elektronen der Stickstoff-Fehlstelle im Diamanten in den ms = ±1 Zustand bringen.

Dieser Resonator funktioniert so gut, dass ein Mikrowellengenerator mit nur sehr wenig Mikrowellenleistung erforderlich ist (< 8 dBm). Klingt eigentlich gut, allerdings bauen wir diese Resonatoren in Handarbeit auf und trimmen jeden Resonator individuell, über die aufgespannte Fläche der Leiterschleife, auf eine Resonanzfrequenz von etwa 2, 87 GHz. Messungen belegen, wie gut der Resonator ist. Je tiefer der Peak bei der Resonanz nach unten geht, desto besser und desto weniger Mikrowellenleistung benötigen wir.

Ein händisch aufgebauter Resonator ist für unser QOOOL Kit Magneto natürlich ungeeignet, weswegen wir nach Lösungen suchen, die klein sind, sich kostengünstig und reproduzierbar fertigen lassen und zusätzlich auch noch so gut funktionieren, wie unser diskreter Aufbau. Daher sind wir mit einem Omega-Resonator gestartet und haben in den vergangenen Monaten verschiedene Resonatoren auf ganz unterschiedlichen Substraten simulationsgestützt ausgelegt, hergestellt und erprobt.

Resonator auf speziellem Hochfrequenzmaterial (RO4003C)

Dieser Resonator verhält sich in der Realität (rechts) gegenüber der Simulation (links) sehr ähnlich, ist uns für unser QOOOL Kit Magneto aber noch zu groß und kommt nicht wirklich an unseren diskret aufgebauten Resonator heran.

Resonator auf 100 µm dicker PEEK-Folie

Diese Resonatoren sind klein, aber der Peak bei der Resonanzfrequenz geht uns in der Realität (rechts) gegenüber der Simulation (links) nicht weit genug nach unten. Wir vermuten, dass die Simulationsparameter nicht ganz der Realität entsprechen.

Resonator als Flexleiter auf Polyimid

Sie sind günstig in der Herstellung, aber …

… auch hier passen Simulation und Realität nicht so richtig überein.

Fazit:

Leider hat bisher keiner der realisierten Resonatoren unsere Ansprüche erfüllt. Ob wir dafür eine Lösung finden werden? Findet es heraus, im nächsten Update zur Mikrowelle.