NV-Zentrum

Stickstoff-Fehlstellen-Zentren sind eine Art von Störstellen im Diamantgitter. Sie können selbst bei Raumtemperatur als Einzel-Photonen-Emitter eingesetzt werden und sind somit u. a. mögliche Kandidaten für ein Quantencomputer-System.

Für spektroskopische Untersuchen können handelsübliche Komponenten verwendet werden; es genügt etwa ein Immersionsobjektiv mit einer 60-fachen Vergrößerung, um die Störstellen optisch anzufahren.

Aufbau

Anstelle zweier benachbarter Kohlenstoff-Atome bestehen Stickstoff-Fehlstellen-Zentren aus einem Stickstoff-Atom und einer Fehlstelle; sie werden auch abkürzend als NV-Zentren bezeichnet (engl. nitrogen-vacancy center). NV-Zentren besitzen sechs Elektronen, von denen vier in Molekülorbitalen gebunden sind. Somit sind zwei Valenzelektronen vorhanden, von denen eins vom benachbarten Stickstoff, das fünf Valenzelektronen (im Unterschied zu vier beim Kohlenstoff) besitzt. Das zweite stammt von einem weiteren Stickstoff im Gitter. Somit ist das Zentrum einfach negativ geladen und wird daher auch als NV ⁻ -Zentrum bezeichnet.

Es gibt auch neutrale NV⁰-Zentren (s. u.).

Optische Eigenschaften

Man kann die beiden Valenzelektronen optisch anregen, so dass diese beim Zurückfallen in den Grundzustand ein Photon emittieren. Der Abstand beträgt

$E_2-E_1=h\cdot \frac{c}{(637\ nm)}$,

wobei h das Plancksche Wirkungsquantum und c die Vakuumlichtgeschwindigkeit ist. Bei Raumtemperatur ist diese Linie jedoch durch Phononen sehr verbreitert, so dass diese nicht sehr scharf zu erkennen ist.

Die beiden Valenzelektronen können sich auf drei unterschiedliche Arten orientieren:

$|\downarrow\downarrow\rangle$          $|\uparrow\downarrow\rangle$         $|\uparrow\uparrow\rangle$

Dadurch gibt es drei Einstellungsmöglichkeiten des Gesamtspins. Die Projektion auf die z-Achse ist

$m=\lbrace\,-1,0,+1\rbrace$

Dies führt zu einer Zeeman-Aufspaltung der Emissionslinie, die z. B. über ein ODMR-^[1] oder ESR-Verfahren nachgewiesen werden kann.

Herstellung

Diamanten vom Typ Ib enthalten Stickstoff, welcher gleichmäßig in der Struktur verteilt ist. Eine Bestrahlung z. B. mit Neutronen, Elektronen oder Ionen produziert Fehlstellen. Durch Erhitzen wandern diese Fehlstellen und paaren sich mit dem eingelagerten Stickstoff, so dass sich NV ⁻ -Zentren bilden.

$2\ N^0+V^0\rightarrow(NV)^-+N^+$

Hierdurch verschiebt sich das Fermi-Niveau nach unten bis zum Energie-Niveau der NV ⁻ -Zentren, so dass alle Stickstoff-Atome sich entweder in N ⁺ oder NV ⁻ umgewandelt haben.

Weitere Bestrahlung führt zu Bildung von NV⁰ Zentren:

$2\ (NV)^-+V^0\rightarrow (NV)^0+(NV_2)^-$ und

$NV^-+2\ V^0\rightarrow(NV)^0+V_2^-$.

$NV_2^-$ und $V_2^-$ wurden jedoch bisher (Stand:1996)^[2] noch nicht experimentell beobachtet.

Siehe auch

• Einzelphotonenquelle

Einzelnachweise

1. ↑ G. Balasburmanaian, I. Y. Chan, Roman Kolesov, Mohannad Al-Hmoud, Julia Tisler, Chang Shin,Changdong Kim, Aleksander Wojcik, Philip R. Hemmer, Anke Krueger, Tobias Hanke, Alfred Leitenstorfer, Rudolf Bratschitsch, Fedor Jelezko & Jörg Wrachtrup: Nanoscale imaging magnetometry with diamond spins under ambient condition. In: Nature Lett.. 455, 2008. doi:10.1038/nature07278
2. ↑ Y. Mita: Change of absorption spectra in type-Ib diamond with heavy neutron irradiation. In: Phys. Rev. B. 53, Nr. 17, 1996, S. 11360-11364. doi:10.1103/PhysRevB.53.11360

Literatur

• D.D. Awschalom, R. Epstein, R. Hanson – Spintronik mit Diamant, Spektrum der Wissenschaften, Dezember 2007, pp. 112-120, http://www.wissenschaft-online.de/artikel/912387
• F. Jelezko, J. Wrachtrup: Single defect centres in diamond: A review. In: Phys. Stat. Sol. A. 203, Nr. 13, 2006, S. 3207-3225. doi:10.1002/pssa.200671403