Benutzer:Widschin/Entwürfe/NV-Zentren

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

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

Aufbau

Antelle zweier benachbarter Kohlenstoff-Atome besitzen Stickstoff-Fehlstellen-Zentren ein Stickstoff-Atom und eine 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 Ggs. 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 $NV^{0}$-Zentren (s.u.).

Optische Eigenschaften

Man kann die zwei Valenzelektronen optisch anregen, sodass diese beim Zurückfallen in den Grundzustand einen Photon emittieren. Der Abstand beträgt

$E_{2}-E_{1}=h\cdot (637nm)$,

wobei $h$ das Plancksche Wirkungsquantum ist. Bei Raumtemperatur ist diese Linie jedoch durch Phononen sehr verbreitert, dass diese nicht sehr scharf zu erkennen ist.

Die zwei Valenzelektronen können sich auf drei unterschiedliche Arten orientieren:

$|\downarrow \downarrow \rangle$, $|\uparrow \downarrow \rangle$ und $|\uparrow \uparrow \rangle$,

sodass es drei Einstellungsmöglichkeiten des Gesamtspins gibt und die Projektion auf die z-Achse

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

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

Herstellung

Diamanten vom Typ $Ib$ besitzen Stickstoff, welcher gleichmäßig in der Struktur verteilt ist. Bestrahlung z.B. mit Neutronen, Elektronen oder Ionen produziert Fehlstellen. Durch Erhitzen wandern diese Fehlstellen und paaren sich mit dem eingelagerten Stickstoff, sodass sich $NV^{-}$-Zentren bilden.

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

Hierdurch verschiebt sich das Fermi-Niveau nach unten bis zum Energie-Niveau der $NV^{-}$-Zentren, sodass alle Stickstoff-Atome sich entweder in $N^{+}$ oder $NV^{-}$ umgewandelt haben.

Weitere Bestrahlung führt zu Bildung von $NV^{0}$ Zentren:

$2(NV)^{-}+V^{0}\rightarrow (NV)^{0}+(NV_{2})^{-}$ und

$NV^{-}+2V^{0}\rightarrow (NV)^{0}+V_{2}^{-}$.

$NV_{2}^{-}$ und $V_{2}^{-}$ wurden jedoch bisher (Stand:1996) noch nicht experimentell beobachtet.

Empfohlene 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