N-V
Abkürzung für Stickstoffleerstelle.
N-V: Defektzustand, der Ladung und Licht einfängt
Ein N-V-Zentrum ist ein Punktdefekt im Diamantgitter, bei dem ein Stickstoffatom neben einer Leerstelle sitzt, also neben einem fehlenden Kohlenstoffatom. Die Leerstelle hinterlässt ein ungepaartetes Elektron, das in verschiedenen Spinzuständen existieren kann. Dieser Defekt absorbiert und emittiert Licht im Nahinfrarotbereich um 637 Nanometer, was ihn unter Standard-Fluoreszenzmikroskopie sichtbar macht.
Das N-V-Zentrum ist wichtig geworden für Quantensensorik und Quantencomputer, weil sein Elektronspin mit Mikrowellenstrahlung manipuliert und optisch ausgelesen werden kann. Der Spinzustand besteht bei Raumtemperatur für Millisekunden, lange genug für praktische Messungen. Diese Kombination aus optischer Adressierbarkeit und Spinkoherenz ist selten; die meisten Punktdefekte emittieren entweder schlecht Licht oder haben kurze Kohärenzzeiten.
Es gibt zwei Konfigurationen: das negativ geladene N-V−, die stabile fluoreszierende Form in hochreinem Diamant, und das neutrale N-V0, das weniger nützlich ist, aber bei unterschiedlichen Ladungszuständen je nach Fermi-Niveau vorkommt. Der N-V−-Zustand kann optisch gepumpt und zuverlässig zurückgesetzt werden, was ihn für Quantenprotokolle geeignet macht, die eine Zustandsinitialisierung erfordern.
Anwendungen und Materialanforderungen
Hochwertiges Diamantmaterial ist erforderlich. Natürliche Diamanten enthalten unerwünschte Verunreinigungen; synthetischer Diamant, der durch chemische Gasphasenabscheidung oder Hochdruck-Hochtemperatur-Verfahren gezüchtet wird, bietet bessere Kontrolle. Der Stickstoffdotierungsgrad muss optimiert werden: Zu viel Stickstoff erzeugt unerwünschte Spin-Spin-Wechselwirkungen und verbreitert die Spektrallinien; zu wenig reduziert die Dichte nutzbarer Zentren. Typische Arbeitskonzentrationen liegen zwischen ein paar ppm und zehn ppm.
N-V-Zentren dienen als Magnetometer und messen Magnetfeldänderungen unter dem Nanotest-Bereich, wenn sie im Ensemble- oder Einzelzentrum-Format verwendet werden. Sie funktionieren auch als Temperatursensoren, die die Temperaturabhängigkeit der Nullfeld-Aufspaltung ausnutzen. Forschungen zur Mehrzentrums-Verschränkung behandeln N-V-Anordnungen als primitive Quantenprozessoren. Außerhalb des Labors wird Stickstoff-Fehlstellen-Diamant in Magnetometrie-Geräte für biomagnetische Abbildung und Feldsensoranwendungen integriert, wo Empfindlichkeit und Raumtemperaturbetrieb erforderlich sind.