Quantendetektion von Mikrowellen mittels Diamant-Farbzentren (MICROSENS)

Die Detektion und Spektroskopie von schwachen Mikrowellensignalen ist eine wichtige Herausforderung für technische Anwendungen wie Drahtlose Kommunikation, Radar, Navigation und medizinischer Bildgebung. Festkörper Spins sind attraktive Sensoren für diese Mikrowellenstrahlung, da sie im Frequenzbereich von 1-100GHz verstimmbar sind. Bis jetzt wurden diese Spins nur im Frequenzbereich unterhalb von 10MHz eingesetzt, da die Quantenprotokolle für höhere Frequenzen nicht sehr sensitiv sind. Zudem sind diese Spinsensoren auch noch nicht so optimiert und integriert wie konventionelle Mikrowellenelektronik. Die Aufgabe des Projektes MICROSENS ist es, die bekannten Stickstoff-Leerstelle Farbzentren in Diamant für dieses Ziel einzusetzen. Wir werden zwei verschiedene Prototypen von Mikrowellensensor basierend auf diesen Farbzentren entwickeln: ein Einzelphotonendetektor und eine Breitband Spektrum Analysator. Ziel des Projektes ist es, die ultimative Grenzen der Sensitivität zu erforschen und verstehen.

Detektion und Spektroskopie von schwachen Mikrowellensignalen (>GHz) ist von ungemeiner Bedeutung für Schlüsseltechnologien in moderner Technologie inklusive aber nicht ausschließlich drahtloser Kommunikation, Radar, Navigation und medizinische Bildgebung. Festkörper Spinsysteme könnten ein wichtiger Baustein für Sensoren in diesem Bereich sein, da ihre Spin-übergänge genau in diesem Frequenzbereich liegen und durch das anlegen eines magnetischen Feldes leicht zwischen 1-100GHz gestimmt werden können. Nichtsdestotrotz ist bis heute relativ wenig in diesem Bereich erforscht worden, und viele der vorgstellten Methoden konzentrieren sich auf den Tieffrequenz (<10MHz) Bereich. Auch im vergleich zu integrierten Mikrowellenschaltungen sind Mikrowellensensoren noch ein sehr junges Forschungsfeld. Die Idee von MICROSENS war die gut verstanden Stickstoff-Fehlstellen Zentren in Diamant zu verwenden um diese beiden Probleme zu lösen. Im Zuge dieses Projekts haben wir an der TU Wien einen neuartigen Resonator entwickelt der es uns erlaubt an kleinere Ensembles, aber immer noch im stark koppelnden Bereich, zu arbeiten. Damit war es uns möglich Ensembles von den NV zentren zu verwenden um sehr schwache Mikrowellensignale zu messen. Der Detektierungsmechanismus beruht auf dem Effekt von Superradianz der es uns erlaubt beides die Phase und auch die Stärke des eintreffenden Signales zu messen. Diese neuartige Art und Weise Mikrowellen Photonen zu messen sind ein wichtiger Meilenstein im Bereich der Ensemble Physik von Festkörperspin-systemen und wird zu einem neuartigen Klasse von Quantentechnologischen Detektoren führen.