Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Möglicher Lesekopf für Quantencomputer: Graphenschicht liest optische Information aus Nanodiamanten

01.12.2014

Aus Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamanten ließen sich wichtige Komponenten eines Quantencomputers bauen. Doch bisher war es nicht möglich, die optisch ins System „geschriebene“ Information elektronisch wieder auszulesen. Mit Hilfe von Graphenschichten hat ein Wissenschaftlerteam um Professor Alexander Holleitner von der Technischen Universität München (TUM) nun eine solche Leseeinheit realisiert.

Idealer Weise besteht ein Diamant aus reinem Kohlenstoff. Doch in der Natur sind immer auch kleine Verunreinigungen darin zu finden. Am besten untersucht sind Doppelfehlstellen, die aus einem Stickstoffatom und einer Leerstelle bestehen. Sie könnten als hochempfindliche Sensoren oder als Registerbausteine für Quantencomputer eingesetzt werden – doch bisher gab es keinen Weg, die optisch hinein gesteckte Information elektrisch wieder auszulesen.


Zukunftsvision Quantencomputer mit Chips aus Diamant und Graphen

Grafik: Christian Hohmann / Nanosystems Initiative Munich (NIM)


Laboraufbau zum Vermessen der Wechselwirkungen zwischen Graphen und Nanodiamanten mit eingebauten Stickstoff-Fehlstellen-Zentren

Bild: Astrid Eckert / TUM

Ein Team unter Leitung von Professor Alexander Holleitner, Physiker an der TU München und Frank Koppens, Physikprofessor am Institut de Ciencies Fotoniques nahe Barcelona, hat nun eine solche Auslesemöglichkeit geschaffen. Basis ist eine direkte Energieübertragung von Fehlstellen in Nanodiamanten auf eine unmittelbar benachbarte Graphenschicht.

Strahlungsloser Energietransfer

Bestrahlt man einen solchen Nanodiamanten mit Laserlicht, so hebt ein Licht-Photon im Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum ein Elektron von seinem Normalzustand in einen angeregten Zustand. „Das System aus dem angeregten Elektron und dem verlassenen Grundzustand kann man als Dipol auffassen“, sagt Professor Alexander Holleitner. „Dieser Dipol erzeugt in der nahegelegenen Graphenschicht wieder einen Dipol aus einem Elektron und einer Leerstelle“.

Doch während in den rund 100 Nanometer großen Diamanten die einzelnen Fehlstellen-Zentren voneinander isoliert sind, ist die Graphenschicht elektrisch leitend. Zwei Goldelektroden erfassen die erzeugte Ladung und machen sie elektronisch messbar.

Elektronische Detektion im Pikosekundenbereich

Wesentlich für diesen Versuchsaufbau ist, dass die Messung extrem schnell geschieht.
Denn nach wenigen Milliardstel Sekunden würde sonst das erzeugte Elektron-Loch-Paar wieder verschwinden. Doch die in Holleitners Labor entwickelte Technik erlaubt Messungen im Pikosekundenbereich (Billionstel Sekunden). Damit können die Wissenschaftler die Vorgänge genau verfolgen.

„Prinzipiell müsste unsere Technik auch mit Farbstoffmolekülen funktionieren“, sagt Doktorand Andreas Brenneis, der zusammen mit Louis Gaudreau die Messungen durchgeführt hat. „Ein Diamant enthält rund 500 solcher Fehlstellen, aber die Methode
ist so empfindlich, dass wir auch einzelne Farbstoffmoleküle messen könnten“.

Aufgrund der extrem schnellen Schaltgeschwindigkeit der von den Wissenschaftlern entwickelten Nanoschaltkreise könnten mit dieser Technik aufgebaute Sensoren nicht nur extrem schnelle Vorgänge messen sondern würden, eingebaut in einem zukünftigen Quantencomputer auch extrem hohe Taktraten bis in den Terahertz-Bereich ermöglichen.

Die Arbeit wurde unterstützt aus Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich, NIM und SFB 631), des European Research Councils (ERC Grant NanoREAL, CarbonLight), der Fundacio Cellex Barcelona, des Marie-Curie International Fellowship COFUND sowie des ICFOnest Programms und des Center for NanoScience (CeNS) München. An der Publikation wirkten Physiker der TU München, der Universität Augsburg, des Walther-Meißner-Instituts der Bayerischen Akademie der Wissenschaften und des ICFO-Institut de Ciencies Fotoniques in Castelldefels nahe Barcelona mit.

Publikation:

Ultrafast electronic readout of diamond nitrogen-vacancy centres coupled to graphene,
Andreas Brenneis, Louis Gaudreau, Max Seifert, Helmut Karl, Martin S. Brandt, Hans Huebl, Jose A. Garrido, Frank H. L. Koppens and Alexander W. Holleitner
Nature Nanotechnology, Advanced online publication, 1. Dezember 2014 – DOI: 10.1038/nnano.2014.276

Kontakt:

Prof. Dr. Alexander W. Holleitner
Technische Universität München
Walter Schottky Institut – Zentrum für Nanotechnologie und Nanomaterialien
Am Coulombwall 4a, 85748 Garching, Germany
Tel.: +49 89 289 11575 – E-Mail: holleitner@wsi.tum.de


Weitere Informationen:

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1038/nnano.2014.276  Originalpublikation
http://www.wsi.tum.de/Research/HolleitnergroupE24/tabid/166/Default.aspx  Website der Arbeitsgruppe

Dr. Ulrich Marsch | Technische Universität München

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Flashmob der Moleküle
19.01.2017 | Technische Universität Wien

nachricht Verkehrsstau im Nichts
19.01.2017 | Universität Konstanz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide

Neuartige Biofasern aus einem Seidenprotein der Florfliege werden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit der Firma AMSilk GmbH entwickelt. Die Forscher arbeiten daran, das Protein in großen Mengen biotechnologisch herzustellen. Als hochgradig biegesteife Faser soll das Material künftig zum Beispiel in Leichtbaukunststoffen für die Verkehrstechnik eingesetzt werden. Im Bereich Medizintechnik sind beispielsweise biokompatible Seidenbeschichtungen von Implantaten denkbar. Ein erstes Materialmuster präsentiert das Fraunhofer IAP auf der Internationalen Grünen Woche in Berlin vom 20.1. bis 29.1.2017 in Halle 4.2 am Stand 212.

Zum Schutz des Nachwuchses vor bodennahen Fressfeinden lagern Florfliegen ihre Eier auf der Unterseite von Blättern ab – auf der Spitze von stabilen seidenen...

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Im Focus: Traffic jam in empty space

New success for Konstanz physicists in studying the quantum vacuum

An important step towards a completely new experimental access to quantum physics has been made at University of Konstanz. The team of scientists headed by...

Im Focus: Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

Wissenschaftler der TU Chemnitz präsentieren im Februar und März 2017 ein neues temporäres System zum Schutz gegen Hochwasser auf Baumessen in Chemnitz und Dresden

Auch die jüngsten Hochwasserereignisse zeigen, dass vielerorts das natürliche Rückhaltepotential von Uferbereichen schnell erschöpft ist und angrenzende...

Im Focus: Wie Darmbakterien krank machen

HZI-Forscher entschlüsseln Infektionsmechanismen von Yersinien und Immunantworten des Wirts

Yersinien verursachen schwere Darminfektionen. Um ihre Infektionsmechanismen besser zu verstehen, werden Studien mit dem Modellorganismus Yersinia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Mittelstand 4.0 – Mehrwerte durch Digitalisierung: Hintergründe, Beispiele, Lösungen

20.01.2017 | Veranstaltungen

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

21.500 Euro für eine grüne Zukunft – Unserer Umwelt zuliebe

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

innovations-report im Interview mit Rolf-Dieter Lafrenz, Gründer und Geschäftsführer der Hamburger Start ups Cargonexx

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

Niederlande: Intelligente Lösungen für Bahn und Stahlindustrie werden gefördert

20.01.2017 | Förderungen Preise