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Messtechnik extrem: Forschern gelingt der gezielte Austausch von Atomen

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Die Universität Stuttgart hat für Experimente einen Arbitrary Waveform Generator (AWG) verwendet, um einzelne Atome eines Diamanten durch Stickstoffatome zu ersetzen. Die Forschungen dienen auch als Grundlage für ein Qubit bei Quantencomputern.

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Wissenschaftler der Universität Stuttgart haben einzelne Kohlenstoff-Atome eines Diamanten durch Stickstoffatome ersetzt. Dabei kommt es auf die benutzte Energie an.
Wissenschaftler der Universität Stuttgart haben einzelne Kohlenstoff-Atome eines Diamanten durch Stickstoffatome ersetzt. Dabei kommt es auf die benutzte Energie an.
(Bild: Spectrum Instrumentation)

Die physikalische Abteilung der Universität Stuttgart forscht auf dem Gebiet einzelner Defekte in der atomaren Struktur von Feststoffen, speziell an Defekten im Atomgitter von Diamanten. Zum Hintergrund: Dabei wird ein einzelnes Kohlenstoff-Atom in der Struktur des Diamanten durch ein Stickstoff-Atom ersetzt und erzeugt so ein Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (NV = Neutrogen Vacancy).

Dieses kann als Magnetfeld-Messfühler auf atomarer Ebene benutzt werden. Man hat in der Tat einen nuklearen Magnetresonanz-Scanner (NRM) auf Nano-Ebene, denn durch die Interaktion des Spins des Stickstoff-Atoms mit kleinen lokalen Magnetfeldern kann die Stärke und Frequenz ermittelt werden. Eine praktische Anwendung könnte das Auslesen der magnetischen Informationen auf einer Festplatte sein. Dieser NMR-Scanner im Nanobereich kann für die Strukturanalyse von einzelnen Proteinen benutzt werden, denn anders als bei normalen Magnetresonanz-Scannern sind auf atomarer Ebene nur einige Spins des Stickstoff-Atoms für die Messung nötig.

Als Qubit in einem Quantencomputer

Die Stickstoff-Fehlstelle kann auch als Qubit in einem Quantencomputer benutzt werden. Dafür werden zwei Spin-Zustände und Überlagerungen dazwischen genutzt. Der große Vorteil sind die stabilen Spin-Zustände bei Zimmertemperatur, wogegen ähnliche Lösungen ultra-tiefe Temperaturen oder Druck benötigen. Wie tief die Stickstoff-Atome unter der Oberfläche des Diamanten in das Kohlenstoff-Atomgitter eingesetzt werden, hängt von der benutzen Energie ab. Typisch ist eine Tiefe von fünf Nano-Metern. Das Ziel ist es, diese Fehlstellen einzeln Stück für Stück zu implantieren, um damit Datenfelder für Quantencomputer zu erzeugen.

Das Stickstoff-Atom im Kohlenstoffgitter wird sowohl mit optischen Impulsen, als auch mit Mikrowellen- und HF-Pulsen angesteuert. Dafür müssen extrem präzise Sequenzen von sehr kurzen Impulsen erzeugt werden. Die Wahl der Forscher fiel auf einen Spectrum AWG-Generator der aktuellen Generation, der von den Mitarbeitern von Spectrum so erweitert wurde, dass er sein Signal auf zehn Kanäle verteilen kann.

Das sind vier analoge und sechs digitale Kanäle. Möglich war das durch das modulare Design der Spectrum-Produkte: Die Basiskarte liefert mit ihrem AWG-Modul drei Digitalmarker-Kanäle. Durch Aufstecken eines weiteren Moduls kamen weitere drei Kanäle hinzu. Genutzt wird dabei eine Spectrum DN2.663-04 generatorNETBOX als Stand-Alone-Gerät. Sie kann über Ethernet von jedem beliebigen PC im Labor ferngesteuert werden.

Impulse zwischen 10 und 20 Nanosekunden

Der AWG kontrolliert den Laser, das Mikrowellensignal über IQ-Modulation, generiert die Radiofrequenz-Pulse und triggert Datenerfassungsgeräte, um den Spin-Status festzulegen. „Der AWG kontrolliert durch seine vielen Ausgangskanäle das gesamte Experiment“ erklärt Thomas Oeckinghaus, ein Experimentalphysiker, der über das Thema promoviert hat.

„Für den Spectrum AWG sprach vor allen Dingen auch seine hohe Geschwindigkeit. Wir brauchen für das Experiment sehr kurze Impulse zwischen 10 und 20 Nanosekunden. Mit 1,25 GSa/s Ausgaberate können diese mit sehr hoher zeitlicher Auflösung von 800 Picosekunden generiert werden.“

In ein neues Gerät müssen sich die Wissenschaftler erst einarbeiten. Ist solch ein Messgerät zudem für das Experiment besonders wichtig ist und so viele Möglichkeiten bietet. Herr Oeckinghaus fand die Dokumentation aber sehr gelungen und kam zügig mit den Einstellmöglichkeiten seines Geräts zurecht. Nur ein Problem tauchte auf, für das Spectrum schon am nächsten Tag einen neuen Treiber mit Bug-Fix lieferte. "Das hat mich beeindruckt", sagt der Forscher. "Die Qualität des Post-Sales Supports lässt sich beim Kauf nur schwer einschätzen. Bei Spectrum weiß ich jetzt, dass mir schnell geholfen wird."

Jeder Kanal des AWGs hat einen A/D-Wandler mit 16 Bi und kann völlig frei programmierte Wellenformen mit größter Präzision als analoges Signal erzeugen. Die Frequenz reicht von 0 bis 400 MHz. Um lange und extrem komplexe Wellenformen zu erschaffen, bietet der AWG diverse Modi wie Single-Shot, Loop, FIFO, Gated-Ausgabe und Sequenzmodus. Der AWG erzeugt sogar weiter sein Signal, während neue Daten in seinen Speicher geladen werden.

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