Quanten-Zentren in Diamant

Diamant ist eine Form von Kohlenstoff, die sich unter hohem Druck bildet. Diamant wird nicht nur wegen seiner Schönheit bewundert, sondern wird seit langem auch wegen seiner Härte und thermischen Eigenschaften für industrielle Anwendungen genutzt. Zu Beginn des Jahrhunderts wurde festgestellt, dass Diamant auch ein gutes Material für sogenannte Quantenanwendungen ist. Die Quantenmechanik beschreibt, wie sich die physikalische Welt auf der Ebene einzelner Atome und subatomarer Teilchen verhält, und enthält viele bekannte kontra-intuitive Vorhersagen wie der Welle-Teilchen-Dualismus oder die Überlagerung quantenmechanischer Zustände. Obwohl alle makroskopischen Materialien auf Wechselwirkungen basieren, die sich aus d er Quantenmechanik ergeben, ist die Nutzbarmachung von Quantenphänomenen für praktische Anwendungen aufgrund der Fragilität der Quantenzustände nach wie vor schwierig. Diamant bietet aufgrund seiner Robustheit und der Reinheit seiner Struktur, d.h. eine ge ringe Anzahl von natürlich vorkommenden Unvollkommenheiten, eine Lösung für dieses Problem. Dies ermöglicht den Nachweis und die Manipulation des Quantenzustands von atomaren Verunreinigungen, was zu Anwendungen beispielsweise in der Sensortechnik, der Bil dgebung in der Medizin und der Quanteninformatik geführt hat. QUEEN konzentriert sich auf die Erforschung der genauen Struktur von solchen Verunreinigungen und deren Manipulation durch eine Kombination von Transmissionselektronenmikroskopie mit atomarer Auflösung und verschiedenen spektroskopischen Methoden. Die Diamantstrukturen sollen mit dem zweidimensionalen Kohlenstoffmaterial Graphen kombiniert werden, um die elektronischen Eigenschaften zu verbessern. Die Ergebnisse des Projekts werden dazu beitrage n, neue diamantbasierte Quantenanwendungen zu ermöglichen und die Leistungsfähigkeit der bereits bestehenden zu verbessern.

Diamant ist eine Form von Kohlenstoff, die unter hohem Druck entsteht. Er wird nicht nur wegen seiner Schönheit, sondern auch wegen seiner Härte und thermischen Eigenschaften schon seit Langem in der Industrie eingesetzt. Um die Jahrhundertwende stellte man fest, dass der Diamant auch ein geeignetes Material für Quantenanwendungen ist. Die Quantenmechanik beschreibt, wie sich die physikalische Welt auf der Ebene einzelner Atome und subatomarer Teilchen verhält, und liefert dabei viele berühmte, der Intuition widersprechende Vorhersagen, darunter die Welle-Teilchen-Dualität und die Quantenüberlagerung. Obwohl alle makroskopischen Materialien auf Wechselwirkungen beruhen, die aus der Quantenmechanik hervorgehen, ist die Nutzung von Quantenphänomenen für praktische Anwendungen aufgrund der Fragilität der Quantenzustände nach wie vor eine Herausforderung. Diamant bietet aufgrund seiner Robustheit und der geringen Anzahl natürlich vorkommender Unvollkommenheiten in seiner Struktur eine Lösung für dieses Problem. Dies ermöglicht das Erkennen und Manipulieren von Quantenzuständen, die mit Unvollkommenheiten durch Verunreinigungsatome zusammenhängen - den sogenannten Quantenzentren -, was zu Anwendungen beispielsweise in der Sensortechnik, der medizinischen Bildgebung und im Quantencomputing geführt hat. Kürzlich wurde beobachtet, dass ein weiteres Material, hexagonales Bornitrid, das eine Schichtstruktur ähnlich der von Graphit aufweist, ebenfalls ein geeignetes Material für Quantenzentren ist. Interessanterweise lässt sich dieses Material atomar dünn zu einem 2D-Material herstellen, was einen direkteren Zugang zu den Quantenzentren ermöglicht, etwa mittels Elektronenmikroskopie. QUEEN konzentrierte sich auf die Untersuchung der genauen Struktur dieser verunreinigungsbedingten Defekte und deren Manipulation mittels einer Kombination aus atomauflösender Transmissionselektronenmikroskopie und spektroskopischen Methoden. Es zeigte sich, dass Quantenzentren in Diamant unter dem Elektronenmikroskop extrem beweglich sind, was die Entwicklung neuer Bildanalysetechniken erforderlich machte, die auch auf Bornitrid und andere Systeme mit Defekten im atomaren Maßstab angewendet wurden. Dadurch kam das Forschungsprojekt weit über seinen ursprünglichen Rahmen hinaus zugute. Gleichzeitig erschwerte diese unerwartete Dynamik die Bestimmung der genauen atomaren Strukturen der Quantenzentren im Diamant selbst. Dennoch hat QUEEN das Forschungsgebiet vorangebracht, indem es die ersten direkten Bilder von Quantenzentren in Diamanten lieferte und dabei eine große Zahl von Elementen und Diamanttypen verglich. Es hat zudem den Weg für neue diamantbasierte Quantenanwendungen und die Untersuchung anderer ähnlicher Systeme geebnet.