Elegantes Verfahren zum Auslesen von Einzelspins über Photospannung

Die Methode eines HZB-Teams könnte ein deutlich kompakteres Design von Quantensensoren ermöglichen

Der grüne Laser regt in den NV-Zentren Ladungsträger an, die von Oberflächenzuständen eingefangen werden. Die Abtastspitze fährt über die Oberfläche und misst in der Umgebung eines NV-Zentrums die Potenzialdifferenz. Mit Mikrowellen lassen sich die Spinzustände der NV-Zentren manipulieren. © Martin Künsting / HZB

Diamanten mit spezifischen Defekten können als hochempfindliche Sensoren oder Qubits für Quantencomputer genutzt werden. Die Quanteninformation wird dabei im Elektronenspin-Zustand der Defekte gespeichert. Allerdings müssen die Spin-Zustände bislang optisch ausgelesen werden, was extrem aufwändig ist. Nun hat ein Team am HZB eine elegantere Methode entwickelt, um die Quanteninformation über eine Photospannung auszulesen. Dies könnte ein deutlich kompakteres Design von Quantensensoren ermöglichen.

Defekte in Festkörpern sind zwar manchmal unerwünscht, können aber auch für wunderbare, neue Talente sorgen, zum Beispiel bei Diamanten: Werden so genannte Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV-Zentren) eingebracht, dann lässt sich deren Spinzustand mit Mikrowellen manipulieren; die Information zu einzelnen Spinzuständen kann über Licht ausgelesen werden. Damit kommen solche NV-dotierten Diamanten als hochempfindliche Sensoren in Frage, aber auch als Qubits für Quantencomputer.

Bisher: Messung von wenigen Photonen

Um den jeweiligen Zustand des Spins zu ermitteln, müssen jedoch bisher die emittierten Photonen gemessen werden. Da beim Umklappen einzelner Spins nur einzelne Photonen entstehen, ist dieses Signal sehr schwach. Die notwendige Verstärkung ist aufwändig und macht das Design sehr komplex.

Nun: Messung über die Photospannung

Ein Team am HZB hat nun eine neue Methode vorgestellt, um dieses Problem zu lösen. „Die Idee war, dass solche Defektzentren nicht nur einen Spinzustand besitzen, sondern auch über elektrische Ladungen verfügen“, sagt Dr. Boris Naydenov. Die Physiker nutzten daher eine Variante der Rasterkraftmikroskopie, die Kelvin-Probe-Force-Mikroskopie (KPFM): Dabei regt ein Laser die NV-Zentren an, erzeugt dort freie Ladungsträger, die von Oberflächenzuständen eingefangen werden und rund um ein NV-Zentrum eine messbare Spannung erzeugen.

Auslesung von Einzelspins

„Die so erzeugte Photospannung hängt vom Elektronenspin-Zustand des NV-Zentrums ab, und dadurch können wir tatsächlich den Einzelspin auslesen“, sagt Sergei Trofimov, der die Messungen im Rahmen seiner Promotion durchgeführt hat. Die neue Methode ermöglicht es sogar, die Spindynamik zu erfassen, indem über eine Mikrowellenanregung die Spinzustände manipuliert werden.

Kompakte Bauelemente

„Dies wäre ein Weg, um wirklich winzige und kompakte Bauelemente auf Basis von Diamant zu entwickeln, da jetzt nur noch geeignete Kontakte benötigt werden, anstelle von aufwändigen Mikroskopoptiken und Einzelphotonendetektoren“, sagt Prof. Klaus Lips, Leiter der Abteilung Spins in der Energieumwandlung und Quanteninformatik. „Die neu entwickelte Auslesemethode könnte auch in anderen Festkörperphysiksystemen eingesetzt werden, bei denen die Elektronenspinresonanz von Spindefekten beobachtet wurde“, schätzt Lips.

Publikation:

Nature communications (2025): Voltage detected single spin dynamics in diamond at ambient conditions
Sergei Trofimov, Klaus Lips, and Boris Naydenov
DOI: 10.1038/s41467-025-58635-3

Kontakt:

Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie
Abteilung Spins in der Energieumwandlung und Quanteninformatik

Dr. Boris Naydenov
+49 30 8062-13116
boris.naydenov(at)helmholtz-berlin.de

Prof. Dr. Klaus Lips
+49 30 8062-14960
lips(at)helmholtz-berlin.de

Dr. Antonia Rötger
Pressestelle
+49 30 8062-43733
antonia.roetger(at)helmholtz-berlin.de

Pressemitteilung HZB vom 14. April 2025