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 sich 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.

Harald Lesch erklärt Quantenphysik

Quanten 1x1 vom TüftelLab

Glossar

Energielevel des NV

Es gibt einen Triplet Grundzustand (ground state ³A2), einen angeregten Triplet Zustand (excited state, ³E) sowie einen metastabilen Singlet Zustand (singlet state 1A1 und 1E). Im Grundzustand gibt es drei Spinzustände der Elektronenpaare, ms=0 sowie die Zustände ms=±1. Der ms=±1 wird auch als degenerierter Zustand beschrieben, da der Zustand ms=0 der wahrscheinlich häufiger vorkommende Zustand ist. Liegt ein Elektronenpaar ms=0 Grundzustand vor und wird durch grünes Licht angeregt, wird es in den angeregten ms=0 Zustand angehoben. Beim Zurückfallen in den Grundzustand, nimmt es mit einer hohen Wahrscheinlichkeit den Weg, bei dem rotes Licht in Form eines Photons plus Gitterschwingung (Phonon) emittiert wird. Mit geringerer Wahrscheinlichkeit nimmt es den Weg über den Singlet-Zustand, bei dem nur Phononen emittiert wird und landet im ms=±1 Zustand. Liegt ein Elektronenpaar im ms=±1 Grundzustand vor und wird durch grünes Licht angeregt, wird es in den angeregten ms=±1 Zustand angehoben. 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 Stickstofffehlstellen in einem Diamanten, die so nah beieinander sind, dass sie wechselwirken. Sie sind einfacher in der Herstellung und als Mikrodiamanten kostengünstig verfügbar.

Fluoreszenz

Lichtemission, hier der Stickstofffehlstelle in rot durch optische Anregung mit ultraviolettem, blauem oder grünem Licht. Hierbei wird durch Stimulation ein Elektron auf ein höheres Energieniveau angehoben, also laut Atommodell auf eine höhere Schale, das beim Zurückfallen auf sein ursprüngliches Energieniveau Energie in Form eines Photons emittiert.

Farbzentrum

engl. color center, Es gibt verschiedene Farbzentren in Kristallgittern, das Wichtigste für uns ist das NV-Zentrum. Dabei handelt es sich um eingeschlossene Fremdatome in einem Kristallgitter, die zu einer Absorption von bestimmten Wellenlängen des Lichts führen, was zu einer bestimmten Farbe des Kristalls führt.

NV-Zentrum

engl. Nitrogen Vacancy, deut. Stickstofffehlstelle, auch Farbzentrum genannt. Das Kristallgitter eines Diamanten besteht aus Kohlenstoff. In dieses ist Stickstoff eingebaut, an das sich eine Fehlstelle anlagert. An dieser Stickstofffehlstelle kann sich ein zusätzliches Elektron aus dem Kristallgitter anlagern, wodurch ein NV- entsteht, das als Quantensystem bei Raumtemperatur genutzt werden kann. Dieses absorbiert grünes Licht und Licht kürzerer Wellenlängen wie blau und ultraviolett.

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, auch Zeeman-Aufspaltung genannt. Für ODMR werden eine optische Anregung mit grünem Licht und eine Mikrowelle benötigt. Durch Mikrowellenanregung kann die Wahrscheinlichkeit, dass Elektronenpaare im ms=±1 Zustand vorliegen, erhöht werden, während durch optische Anregung mit grünem Licht die Wahrscheinlichkeit, dass Elektronenpaare im ms=0 Zustand vorliegen, erhöht wird, wodurch das System initialisiert werden kann. Initialisiert bedeutet hier, dass man den Ausgangszustand mit hoher Wahrscheinlichkeit kennt. Dazu 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, die den Energien der ms=±1 Zustände entsprechen. Der Abstand der Dips korreliert dann z.B. mit einer Magnetfeldstärke und ihre absolute Position, bezogen auf die ZPL, entspricht einer Temperatur.

Quenching

Messung einer magnetfeldstärkeabhängigen Fluoreszenzintensität, durch optische Anregung mit grünem Licht und optisches Auslesen.

Single NV

Ist eine einzige Stickstofffehlstelle in einem Diamant bzw. mehrere, die einen hinreichend großen Abstand zueinander haben, sodass sie nicht wechselwirken können.

Zeeman-Aufspaltung

Aufspaltung des Fluoreszenzdips im Fluoreszenzspektrum durch Anwesenheit eines Magnetfelds. Bei Frequenzen < 2,87 GHz ist der ms=-1 Dip und bei Frequenzen >2,87 GHz der ms=+1 Dip zu erkennen, 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 ms=0 und ms=±1 bei einer Temperatur von ca. 27 °C und keinem anliegenden äußeren Magnetfeld. Die Frequenz des ZFS ändert sich mit der Temperatur und kann daher für eine Temperaturmessung herangezogen werden.