Diamanten unter Strom

Basler Physiker auf der Spur der Quanteninformation

Physiker der Universität Basel sind anhand von winzig kleinen Diamant-Kristallen auf neue Möglichkeiten der Quanteninformation gestossen: In einzelnen Diamanten von nur wenigen Nanometern konnten sie Fehlstellen im Kohlenstoffgitter nachweisen – indem sie dort unter bestimmten Bedingungen einen elektrischen Strom entdeckten. Ihre Ergebnisse wurden in der Wissenschaftszeitschrift «Nano-Letters» online veröffentlicht.

Rastertunnelmikroskopie-Bild der Oberfläche von Nanodiamanten.
Das Team der Universität Basel und des Deutsch-Französischen Forschungsinstituts St. Louis (ISL) untersuchte Diamantkristalle von einer Grösse von lediglich fünf Nanometern – fünf Millionstel Millimetern – mit dem Rastertunnel- und dem Rasterkraftmikroskop.

Die Physiker bestimmten darauf die atomare Struktur der Oberfläche und beobachteten sowohl kristalline, sechseckige Kohlenstoff-Facetten wie auch graphitartige Rekonstruktionen. Dabei entdeckten sie bei bestimmten Spannungen einen elektrischen Strom, der beim Einstrahlen von grünem Licht entsteht.

Dieser zusätzliche Strom hängt mit dem Vorkommen von Verunreinigungen des reinen Kohlenstoffgitters des Diamanten zusammen, sogenannter Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (NV-Zentren), die optisch aktiv sind. Solche Defekte sind viel versprechende Kandidaten für einen Einsatz in zukünftigen Quanteninformationssystemen, Spin-Magnetometrie-Sensoren und Einzelphotonenquellen. Ihr Nachweis im Bereich von weniger als 10 Nanometern wäre mit herkömmlichen optischen Verfahren sehr schwierig gewesen, weshalb die Physiker mehrere Methoden kombinierten.

«Mit unserer Studie konnten wir zeigen, dass es möglich ist, die Anwesenheit von optischen Zentren in einzelnen Nanodiamanten mit einer hohen Auflösung nachzuweisen», sagt Prof. Ernst Meyer vom Departement Physik der Universität Basel. Die Anwendung von NV-Zentren könnte etwa in Quantencomputern liegen, die wesentlich effizienter arbeiten als herkömmliche Computer.