Forschung

Wir untersuchen einzelne Farbzentren in Diamant, die durch 2 Methoden hergestellt werden:

• gezielt eingebrachte Dotierungsatome während des Diamant-Wachstums (CVD-Methoden)
• Ionenimplantation in hochreine Diamanten

Wir interessieren uns besonders für Fehlstellen-Zentren in Verbindung mit Atomen der 4. Hauptgruppe, z. B. Silizium- und Zinn-Fehlstellen-Zentren (SiV, SnV), die eine besonders gute Kombination aus optischen und Spin-Eigenschaften aufweisen. Ebenso arbeiten wir mit dem bekannten Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (NV) für Anwendungen in der Quantensensorik.

Die wichtigsten Ziele sind die Isolation einzelner Farbzentren, ihre spektroskopische Untersuchung zur Strukturaufklärung und die Identifikation von Farbzentren, die sich aufgrund ihrer spektralen Eigenschaften für quanten-optische Experimente eignen. Eine Anwendung für die Quanteninformation ist die Realisierung nichtklassischer Lichtquellen mit gezielter und deterministischer Emission einzelner Photonen. Darüber hinaus untersuchen wir Spin-Eigenschaften dieser Zentren im Hinblick auf die Realisierung von Spin-Photon-Schnittstellen für Quantennetzwerke.

Eine Methode zur Steigerung der Effizienz sowie der räumlichen und spektralen Emissionseigenschaften von Einzelphotonen-Emittern ist die Ankopplung dieser Emitter an optische Resonatoren. Damit die Eigenschaften der Emitter beeinflusst werden können, ist es notwendig, dass die Resonatoren ein sehr kleines Volumen auf der Skala der Lichtwellenlänge aufweisen.

Wir verfolgen zwei Ansätze:

• Kopplung von NV-Zentren in Nanodiamanten an Faser-basierte Mikroresonatoren
• Realisierung von Mikroresonatoren in photonischen Kristallen in Diamant

Zur Realisierung von Faser-basierten Mikroresonatoren fertigen wir Mikrospiegel, die durch Lasermaterialbearbeitung in der Facette einer Glasfaser definiert werden, und die sehr kleine Dimensionen (~ 30 µm Durchmesser) und starke Krümmungen aufweisen. Diamant-Nanokristalle mit NV-Zentren werden per spin-coating auf einen Planspiegel aufgebracht, sodass ein linearer Resonator mit wenigen Mikrometern Länge entsteht. Wir beobachten die Emission einzelner NV-Zentren in eine Mode des Faser-Resonators.

Photonische Kristalle in Diamant werden aus einkristallinen Diamantfilmen durch Ionen-Ätzmethoden (focused ion beam milling, reactive ion etching) hergestellt. Mikroresonatoren in photonischen Kristallen zeigen Resonatorgüten Q > 8000 im sichtbaren Spektralbereich bei gleichzeitig geringem Modevolumen. Wir demonstrieren die Ankopplung an und erhöhte Emission einzelner Defektzentren (SiV, NV) in diese Resonatoren sowie Resonator-unterstützte Messung des Spinzustandes.

Nahezu alle bisher realisierten Einzelphotonen-Quellen emittieren Licht im roten oder nah-infraroten Spektralbereich zwischen ca. 600 nm und 1000 nm. Sie sind damit für die Quantenkommunikation über lange Faserstrecken aufgrund der hohen Absorption nur bedingt geeignet. Für den Aufbau langreichweitiger Quantennetzwerke ist deshalb die Realisierung einer Einzelphotonenquelle im Wellenlängenbereich der Telekommunikationsfenster (1310 nm, 1550 nm) von hoher Bedeutung. Ähnliches gilt für die Untersuchung sog. Quanten-Repeater: Während die Speicherung von Quanteninformation in langlebigen elektronischen Zuständen von Atomen oder Ionen oder Spin-Zuständen in Farbzentren erfolgen kann (mit Schreib-/Lesevorgängen auf optischen Übergängen im VIS-NIR Bereich), bieten sich für den Transfer von Quanteninformation Photonen im Telekommunikationsfenster an.

Für diese Ziele untersuchen wir die Quanten-Frequenzkonversion einzelner Photonen vom roten/nah-infraroten (ca. 600 - 900 nm) Spektralbereich in die sogenannten Telekom-Bänder (1310, 1550 nm) . Die eingesetzte Methode ist die nichtlinear-optische Differenzfrequenzmischung von einzelnen Photonen mit einer intensiven Mischwelle, die in der Erzeugung eines einzelnen (Idler-) Photons im Telekomwellenlängenbereich resultiert. Unsere aktuellen Arbeiten demonstrieren die hocheffiziente Konversion einzelner Photonen, die Erhaltung klassischer (Linienform, Kohärenz) und nichtklassischer (Photonenstatistik, Verschränkung, Ununterscheidbarkeit) Eigenschaften sowie den Einsatz der Konverter in Experimenten zu Quantennetzwerken (z. B. Spin-Telekom-Photon Verschränkung).