Die Welt der Quanten

Willkommen in der faszinierenden Welt der Quanten! Auf dieser Seite tauchen Sie ein in die Grundlagen und Anwendungen der Quantentechnologie, einem Bereich, der die Grenzen unseres Verständnisses von Materie, Energie und Information herausfordert. Erfahren Sie mehr über die Prinzipien der Quantenphysik, ihre revolutionären Anwendungen in Bereichen wie Kommunikation, Computing und Sensortechnologie, und entdecken Sie, wie Quantentechnologie die Zukunft unserer Welt prägen kann.

Was sind Quanten?

Spätestens seit Filmen wie Oppenheimer ist Quantenphysik populär. Aber was sind Quanten eigentlich? Was nach einem abstrakten Phänomen klingt, hat einen großen Einfluss auf unsere Lebenswelt! In folgenden Erklärvideos erhalten Sie Einblicke in die spannende Welt der Quanten und erfahren, wie Quantentechnologien funktionieren.

Quantum Sensing für Dummies

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Harald Lesch erklärt Quantenphysik

Quanten 1x1 vom TüftelLab

Glossar

Diamant

Diamant ist das härteste, natürlich vorkommende Material. Es besteht aus 5 Kohlenstoffatomen, die sich in regelmäßigen Strukturen zu Tetraeder-förmigen Kristallgittern zusammenfügen. Ein Diamant in seiner reinen Form ist transparent und farblos. Verunreinigungen und Defekte im Kristallgitter können jedoch dazu führen, dass der Diamant in einem Farbton erscheint. Durch gezieltes Dotieren mit Stickstoff-Fehlstellen (NV), wie sie für unser Quantenmagnetometer benötigt werden, nimmt der Kristall bspw. eine pinke bis lilane Verfärbung an. Je nach Reststickstoffgehalt kann der Diamant auch braun sein

Diamanten kommen in unserem Erdmantel durch hohe Drücke und hohe Temperaturen natürlich vor. Diese Diamanten sind jedoch nur in begrenzten Mengen verfügbar, damit sehr teuer und die Verunreinigungen können nicht kontrolliert werden. Glücklicherweise lassen sich Diamanten auch synthetisch herstellen. Dazu gibt es drei Herstellungsverfahren:

• Detonationsdiamanten

o Hier wird Grafit sprichwörtlich zum Explodieren gebracht. Dabei entstehen Nanodiamanten, die als Saatdiamanten für HPHT Diamanten genutzt werden können.

• CVD – Chemische Gasphasenabscheidung (engl.: chemical vapour deposition)

o Dieses Verfahren benötigt ein Startsubstrat, welches in die CVD-Kammer eingebracht wird. In der CVD-Kammer befindet sich ein Gas (z.B. Methan), in welchem Kohlenstoff gebunden ist. Durch Energieeintrag wird ein Plasma in der Kammer gebildet, d.h. es liegen Ionen und Elektronen der einzelnen Bestandteile des Gasgemisches vor. Der darin enthaltene Kohlenstoff setzt sich dann nach und nach auf dem Substrat ab. Je länger der Prozess läuft, desto dicker wird das Substrat. Um dabei die Kristallstruktur auszubilden, ist das Startsubstrat enorm wichtig.

• HPHT – hohe Drücke und hohe Temperaturen (engl.: high pressure, high temperature)

o Dieses Verfahren ahmt die natürliche Entstehung von Diamanten unter hohen Drücken und hohen Temperaturen nach. Dabei wird ein Saatdiamant (der Detonationsdiamant) in eine Umgebung mit Kohlenstoff (Grafit) gebracht, welcher sich durch die Umgebungsbedingungen auf dem Diamantsamen absetzt und den Diamanten immer weiterwachsen lässt. Es ist das am weitesten verbreitete Verfahren, um kostengünstig Diamanten herzustellen.

Jetzt bleibt nur noch zu klären, wie kommen die Stickstoffatome und Fehlstellen in den Diamanten? Der Stickstoff kann beim CVD-Verfahren bereits während des Herstellungsprozesses hinzugegeben und ins gesamte Kristallgitter eingebaut werden. Im Anschluss werden die Diamanten dann bestrahlt, um Fehlstellen im Kristallgitter zu erzeugen. Anschließend werden die Diamanten bei hohen Temperaturen (> 700 °C) ausgeheilt, dabei können sich diese Fehlstellen im Kristall bewegen. Da die Stickstoffatome im Kristallgitter Spannungen erzeugen, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass sich eine Fehlstelle im Kristallgitter neben einem Stickstoffatom ansiedelt. Gibt man keinen Stickstoff beim CVD-Verfahren hinzu, entstehen reine Diamanten. Die Stickstoff-Fehlstellen können dann nachträglich durch Bestrahlung z.B. nur in der unmittelbaren Oberfläche eingebracht werden. Gleiches gilt auch für HPHT-Diamanten.

Wer noch tiefer in das Thema Diamanten und ihre Eigenschaften einsteigen möchte, besucht am besten das Element Six Diamond Handbook.

Energielevel des NV

Es gibt einen Triplet Grundzustand (ground state ³A), einen angeregten Triplet Zustand (excited state, ³E) sowie einen metastabilen Singlet Zustand (singlet state 1A und 1E).

Ein Tripletzustand zeichnet sich dadurch aus, dass ohne äußere Störung drei Zustände (dies deutet die kleine 3 über A und E an) energetisch nicht unterscheidbar sind. Beim NV-Zentrum sind dies drei Spinzustände der Elektronenpaare, ms=0 sowie die Zustände ms=±1. Die Unterscheidung ms=±1 bezieht sich auf die Orientierung des Spins bezüglich der NV-Achse.

Liegt ein Elektronenpaar im ms=0 Grundzustand vor und wird durch grünes Licht angeregt, wird es zunächst über den angeregten ms=0 Zustand angehoben. Ein Teil der Energie des Elektronenpaares wird in Form von Gitterschwingungen (Phononen) abgegeben, bis sich das System im angeregten ms=0 Zustands befindet. Beim Zurückfallen in den Grundzustand, nimmt es mit einer hohen Wahrscheinlichkeit den Weg, bei dem rotes Licht (637nm) in Form eines Photons emittiert wird. Mit geringerer Wahrscheinlichkeit nimmt es den Weg über den Singlet-Zustand, bei dem kein Photon der Wellenlänge 637nm emittiert wird, und landet im ms=±1 Zustand.

Liegt ein Elektronenpaar im ms=±1 Grundzustand vor und wird durch grünes Licht angeregt, wird es zunächst ebenfalls über den angeregeten ms=±1 Zustand angehoben. Im ms=±1 Zustand landet das Elektronenpaar, nachdem es einen Teil seiner Energie als Gitterschwingungen abgegeben hat. Beim Zurückfallen in den Grundzustand, nimmt es mit hoher Wahrscheinlichkeit den Weg über den Singlet-Zustand und emittiert dabei nicht sichtbares Licht sowie Phononen und landet im ms=0 Zustand. Mit geringerer Wahrscheinlichkeit fällt es direkt in den ms=±1 Grundzustand unter Emission eines roten Photons zurück.

Ensemble

Ist eine Vielzahl von Stickstoff-Fehlstellen in einem Diamanten. Durch die Messung des Signals von vielen Stickstoff-Fehlstellen verliert man die extrem große Ortsauflösung eines einzelnen NV-Zentrums, dafür steigt die Intensität des Fluoresznzlichts. Solche Diamanten sind einfacher in der Herstellung und als Mikrodiamanten kostengünstig verfügbar.

Fluoreszenz

Lichtemission bei geringerer Energie als die Anregung, hier der Stickstoff-Fehlstelle in rot durch optische Anregung mit ultraviolettem, blauem oder grünem Licht. Hierbei wird durch Absorption eines Photons (Frequenz f_a) ein Elektron oder Elektronenpaar auf ein höheres Energieniveau angehoben, also ähnlich zum Atommodel auf eine höheres Orbital. Anschließend gibt das Elektron oder Elektronenpaar Energie auf verschiedene Arten ab (nicht strahlende Übergänge) und landet so in einem angeregten aber etwas weniger energiereichen Zustand. Beim Zurückfallen auf das ursprüngliche Energieniveau wird Energie in Form eines Photons (Frequenz f_e < f_a) emittiert.

Farbzentrum

engl. color center

Es gibt verschiedene Farbzentren in Kristallgittern. Dabei handelt es sich um Unregelmäßigkeiten im Kristallgitter, die optisch aktiv sind. Dies können z.B eingeschlossene Fremdatome, Fehlstellen oder Brüche in der Gitterstuktur sein.

NV-Zentrum

engl. Nitrogen Vacancy, deut. Stickstoff-Fehlstelle, auch Farbzentrum genannt

Das Kristallgitter eines Diamanten besteht prinzipiell aus Kohlenstoff. Von der Stickstoff-Fehlstelle spricht man, wenn ein Kohlenstoffatom durch Stickstoff ersetzt wird und in der direkten Nachbarschaft eine Fehlstelle im Gitter ist. In dieser Stickstoff-Fehlstelle wird in der Regel ein zusätzliches Elektron aus dem Kristallgitter gebunden, wodurch ein NV- entsteht, das als Quantensystem bei Raumtemperatur genutzt werden kann. Dieses absorbiert grünes Licht, bzw. Licht kürzerer Wellenlängen wie blau und ultraviolett und fluoresziert rot.

ODMR

engl. Optical Detected Magnetic Resonance, deut. optisch detektierbare Magnetresonanz

Ist ein Messverfahren, um die Energielevel der Spinzustände von einem Elektronenpaar optisch auszulesen. Die Energielevel der Spinzustände ms=±1 eines Elektronenpaares ändern sich durch Anwesenheit eines Magnetfeldes, eines elektrischen Feldes, einer Temperatur oder eines Druckes. Geschieht dies durch ein Magentfeld, spricht man vom Zeeman-Effekt und der Zeeman-Aufspaltung der ms=±1 Energielevels.

Die optische Anregung bei der ODMR erfolgt durch das grünem Licht und das Auslesen (oder Detektion) durch das rote Flouresenzlicht der NV-Zentren. Diese Unterscheidung in der Farbe des Lichts machen solche Quantensysteme optisch und technisch interessant, weil sehr einfach zwischen Anregung und Antwort unterschieden werden kann. Positiver Nebeneffekt der optischen Eigenschaften von NV-Zentren und der relevanten Energielevel ist, dass das System durch die optische Anregung mit grünem Licht mit extrem großer Wahrscheinlichkeit im Grundzustand ms=0 endet. Diesen Vorgang bezeichnet man als optisches Pumpen oder Initialisieren.

Durch Mikrowellen der entsprechenden Wellenlänge können die Elektronenpaare im NV-Zentrum zwischen den Energieleveln im Grundzustand angeregt oder zum Rückfall stimuliert (stimulierte Emmission) werden. Trifft die Frequenz der Mikrowelle hinreichend genau einen Übergang zwischen dem ms=0 und einem der ms=±1 Zustände, erzeugt dies ein resonantes System. In diesem oszilliert der Spin und damit sein magnetisches Moment resonant zwischen den beiden Zuständen.

Um die richtigen Mikrowellenfrequenzen zu finden wird die Mikrowelle über einen Frequenzbereich verändert und die zugehörige Fluoreszenzintensität gemessen. Dieses Experiment wiederholt man viele Male und mittelt die Messergebnisse. Auf diese Weise erhält man ein Fluoreszenzspektrum mit Einbrüchen (Dips) der Fluoreszenz an den Stellen, wo die Frequenz den Energiedifferenzen zwischen dem ms=0 und den ms=±1 Zuständen entspricht. Der Abstand der Dips korreliert dann z.B. über den Zeemann-Effekt mit einer Magnetfeldstärke.

Quenching

Fluoreszenz-Quenching oder Fluoreszenzlöschung beschreibt die Reduktion der Intensität des Fluoreszenzlichts durch externe Einflüsse. Zu starke Magnetfelder, die senkrecht zur NV-Achse im Diamant stehen, können z.B. einen solchen Intensitätseinbruch verursachen. Dieser Effekt kann bereits für eine grobe Bestimmung der Magnetfeldstärke genutzt werden.

Single NV

Ist eine einzige Stickstoff-Fehlstelle in einem Diamant bzw. mehrere, die einen hinreichend großen Abstand zueinander haben, sodass sie unabhängig von einander ausgelesen werden können und nicht wechselwirken.

Zeeman-Aufspaltung

Aufspaltung der Energielevel und damit der Fluoreszenzdips im Fluoreszenzspektrum durch Anwesenheit eines Magnetfelds. In der Darstellung der Energielevel entfernen sich die Energieniveaus, je nach angelegtem magnetischen Feld weiter voneinander.

ZFS

Zero Field Splitting (2,87 GHz), ist die Energiedifferenz zwischen dem ms=0 Zustand und den ms=±1 Zuständen bei einer Temperatur von ca. 27 °C und keinem anliegenden äußeren Magnetfeld. Mit steigender Temperatur wandert das ZFL zu kleineren, mit fallenender Temperatur zu höheren Frequenzen.