Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-1868
Authors: Shapiro, Yevgeniy
Title: Optisch detektierte Magnetresonanz an NV-Zentren in Diamant
Online publication date: 24-Jun-2015
Year of first publication: 2015
Language: german
Abstract: Die rasante Entwicklung der Computerindustrie durch die stetige Verkleinerung der Transistoren führt immer schneller zum Erreichen der Grenze der Si-Technologie, ab der die Tunnelprozesse in den Transistoren ihre weitere Verkleinerung und Erhöhung ihrer Dichte in den Prozessoren nicht mehr zulassen. Die Zukunft der Computertechnologie liegt in der Verarbeitung der Quanteninformation. Für die Entwicklung von Quantencomputern ist die Detektion und gezielte Manipulation einzelner Spins in Festkörpern von größter Bedeutung. Die Standardmethoden der Spindetektion, wie ESR, erlauben jedoch nur die Detektion von Spinensembles. Die Idee, die das Auslesen von einzelnen Spins ermöglich sollte, besteht darin, die Manipulation getrennt von der Detektion auszuführen.rn Bei dem NV−-Zentrum handelt es sich um eine spezielle Gitterfehlstelle im Diamant, die sich als einen atomaren, optisch auslesbaren Magnetfeldsensor benutzen lässt. Durch die Messung seiner Fluoreszenz sollte es möglich sein die Manipulation anderer, optisch nicht detektierbaren, “Dunkelspins“ in unmittelbarer Nähe des NV-Zentrums mittels der Spin-Spin-Kopplung zu detektieren. Das vorgeschlagene Modell des Quantencomputers basiert auf dem in SWCNT eingeschlossenen N@C60.Die Peapods, wie die Einheiten aus den in Kohlenstoffnanoröhre gepackten Fullerenen mit eingefangenem Stickstoff genannt werden, sollen die Grundlage für die Recheneinheiten eines wahren skalierbaren Quantencomputers bilden. Die in ihnen mit dem Stickstoff-Elektronenspin durchgeführten Rechnungen sollen mit den oberflächennahen NV-Zentren (von Diamantplatten), über denen sie positioniert sein sollen, optisch ausgelesen werden.rnrnDie vorliegende Arbeit hatte das primäre Ziel, die Kopplung der oberflächennahen NV-Einzelzentren an die optisch nicht detektierbaren Spins der Radikal-Moleküle auf der Diamantoberfläche mittels der ODMR-Kopplungsexperimente optisch zu detektieren und damit entscheidende Schritte auf dem Wege der Realisierung eines Quantenregisters zu tun.rn Es wurde ein sich im Entwicklungsstadium befindende ODMR-Setup wieder aufgebaut und seine bisherige Funktionsweise wurde an kommerziellen NV-Zentrum-reichen Nanodiamanten verifiziert. Im nächsten Schritt wurde die Effektivität und Weise der Messung an die Detektion und Manipulation der oberflächennah (< 7 nm Tiefe) implantieren NV-Einzelzenten in Diamantplatten angepasst.Ein sehr großer Teil der Arbeit, der hier nur bedingt beschrieben werden kann, bestand aus derrnAnpassung der existierenden Steuersoftware an die Problematik der praktischen Messung. Anschließend wurde die korrekte Funktion aller implementierten Pulssequenzen und anderer Software-Verbesserungen durch die Messung an oberflächennah implantierten NV-Einzelzentren verifiziert. Auch wurde der Messplatz um die zur Messung der Doppelresonanz notwendigen Komponenten wie einen steuerbaren Elektromagneten und RF-Signalquelle erweitert. Unter der Berücksichtigung der thermischen Stabilität von N@C60 wurde für zukünftige Experimente auch ein optischer Kryostat geplant, gebaut, in das Setup integriert und charakterisiert.rn Die Spin-Spin-Kopplungsexperimente wurden mit dem sauerstoffstabilen Galvinoxyl-Radikalals einem Modell-System für Kopplung durchgeführt. Dabei wurde über die Kopplung mit einem NVZentrum das RF-Spektrum des gekoppelten Radikal-Spins beobachtet. Auch konnte von dem gekoppelten Spin eine Rabi-Nutation aufgenommen werden.rn Es wurden auch weitere Aspekte der Peapod Messung und Oberflächenimplantation betrachtet.Es wurde untersucht, ob sich die NV-Detektion durch die SWCNTs, Peapods oder Fullerene stören lässt. Es zeigte sich, dass die Komponenten des geplanten Quantencomputers, bis auf die C60-Cluster, für eine ODMR-Messanordnung nicht detektierbar sind und die NV-Messung nicht stören werden. Es wurde auch betrachtet, welche Arten von kommerziellen Diamantplatten für die Oberflächenimplantation geeignet sind, für die Kopplungsmessungen geeignete Dichte der implantierten NV-Zentren abgeschätzt und eine Implantation mit abgeschätzter Dichte betrachtet.
The rapid development of computer industry through continuous miniaturization of transistors leads with exponentially rising speed towards the border of the silicon technology, where tunneling processes no longer permit both the further miniaturization of transistors and the increase in their density in the processors. The future of computer technology is quantum-information processing. For the development of quantum computers we need methods for detection and manipulation of single spins in solid state systems. The standard methods of spin detection, like ESR, allow the detection of spin ensembles only. So the idea for a realisation of single spin readout is to perform a spin manipulation separated from the detection.rn A nitrogen-vacancy-center (NV-center) is a special point defect in diamond, which can be used as an atomic scale magnetic field sensor with optical readout. Through the measurement of its fluorescence it should be possible to detect a manipulation of other, optically not detectable, so called “dark spins“ in close proximity to the NV-center by the means of spin-spin-coupling. The proposed quantum computer model is based on N@C60 encapsulated in SWCNT. The peapods, as such molecules consisting of fullerenes in carbon nanotubes are called, should be a basic computational units of a truly scalable quantum computer. The calculations made with the electron spin of nitrogen inside of N@C60 should be optically detectable with near-surface NV-centers of the bulk diamond, on the surface of which the peapods should be positioned.rnrnThis work had a primary goal to detect a coupling between the near-surface NV-centers and optically not detectable spins of radical-molecules deposited on diamond surface by means of ODMR coupling experiments with optical readout and to do in this way further step towards the realization of quantum register.rn At first an “old“ ODMR setup, which was in state of development, was rebuilt. Its most recent functions were verified by measurements on commercial nanodiamonds with multiple NV-centers. In the next step the effectiveness and the way of detection was adapted to the needs of surface implanted (< 7 nm depth) single NV-centers of the bulk diamond samples. At least a half of this work, which can not completely be described here, was made of customization and further development of control software to let match its behavior to the practical problems of real measurements. Finally the correct function of all implemented pulse sequences and software modifications was shown on surface implanted single NV-centers. The setup was also expanded with additional components, needed for double resonance experiments, such as software-controlled electromagnet and RF source. Taking into account a thermal stability of N@C60 an optical cryostat was developed, built, integrated into setup and characterized.rn Spin-spin-coupling experiments with optical readout were performed on an oxygen stable galvinoxyl radical as a model system for coupling. The RF spectrum of the coupled radical-spin was observed through the coupling to NV-center. Also a Rabi-nutation sequence was successfully performed on the coupled spin.rn Also some other aspects of ODMR measurements like fluorescence of peapods and surface implantation were studied. There were made tests, if the observed fluorescence of surface NV-centers was disturbed or obstructed through a coating with components of proposed quantum computer, like SWCNTs, peapods or free fullerenes. Measurements showed that only C60-Clusters were visible for ODMR setup, but no other components. Also it was observed, that not all commercial electronic grade diamonds were suitable for surface implantation. Finally the required concentration of NV-centers in surface implantation for coupling measurements was estimated and an implantation with estimated concentration was observed.
DDC: 540 Chemie
540 Chemistry and allied sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-1868
URN: urn:nbn:de:hebis:77-40900
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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