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Experimentelle Physik III - Arbeitsgruppe Prof. Suter

Hochauflösende Laserspektroskopie und Laser-unterstützte magnetische Resonanz

Optischer Nachweis von einzelnen Spins

NVDer optische Nachweis von Spins ermöglicht sehr hohe Empfindlichkeit, bis zum Nachweis von einzelnen Spins. Besonders geeigent dafür ist das NV-Zentrum im Diamant. Wie in der Figur gezeigt handelt es sich dabei um einen Defekt im Diamantgitter, bei dem ein Kohlenstoffatom fehlt und ein benachbartes durch ein Stickstoffatom ersetzt ist. Die Elektronen dieses Zentrums besitzen einen Spin S=1 und einen starken optischen Übergang, welcher es erlaubt, von einzelnen Zentren ein gut sichtbares Signal zu erhalten. Diese NV Zentren sind deshalb auch als qubits für die Quanteninformationsverarbeitung sehr gut geeignet, oder als empfindliche Sensoren für die Messung von Magnetfeldern.
Referenzen:
D. Awschalom et al., Scientific American, October 2007, pp 84–91.
D. Suter and F. Jelezko, Progress in NMR Spectr. 98-99, 50 - 62 (2017).

Magnetometrie mit einzelnen Spins

FlussElektronenspins sind sehr empfindliche Sensoren für Magnetelder und Einzelspins ermöglichen die Messung von Magnetfeldern mit extrem hoher räumlicher Auflösung. Voraussetzung für eine präzise Magnetfeldmessung ist, dass unerwünschte Störeinflüsse möglichst gut unterdrückt werden. Dies kann z.B. mit Hilfe von Entkopplungspulsen erreicht werden, welche unerwünschte Wechselwirkungen unterdrücken. Gleichzeitig bietet diese Technik die Möglichkeit, spezifisch die Zeitabhängigkeit der externenen Störungen zu messen. Damit erhält man also die Möglichkeit, mit extrem hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung die Stärke von Magnetfeldern zu messen.

Optimal geformte Laserpulse

sincPFür die zeitaufgelöste Anregung von optischen Übergängen benötigt man Laserpulse. Die zeitliche Form dieser Laserpulse ist meist durch das Herstellungsverfahren bestimmt. Für bestimmte spektroskopische Anwendungen oder für die Quanten­informations­ver­ar­beitung ist es jedoch entscheidend, die Form der Laserpulse kontrollieren zu können. Eine Möglichkeit, das zu realisieren, besteht in der Verwendung eines akusto-optischen Modulators (AOM in der Figur), welcher eine im Radiofrequenz-Bereich erzeugte Form auf den Laserpuls überträgt. Im Rahmen einer Bachelor-Arbeit soll diese Form der Pulserzeugung genauer untersucht werden. Ziel der Arbeit ist es, die experimentellen Bedingungen zu suchen, unter denen das Feld in der Probe möglichst exakt mit der theoretisch berechneten Form übereinstimmt. Damit wird es möglich sein, die Dynamik von resonant angeregten atomaren Ionen so zu steuern, dass möglichst zielgenau der gewünschte Zielzustand erreicht wird.
Referenzen:
[1] R. Freeman, Progr. NMR Spectrosc. 32, 59–106 (1998).
[2] W.S. Warren and S.M. Mayr in Enc. Mag. Res., Wiley (2007).