Das Stickstoffatom im Kohlenstoffgitter wird sowohl mit optischen Impulsen, als auch mit Mikrowellen- und Hochfrequenz-Pulsen angesteuert. Dafür müssen extrem präzise Sequenzen von sehr kurzen Impulsen erzeugt werden.

Spectrums Arbitrary-Waveform-Generator im Experimentallabor: Wissenschaftler der Universität Stuttgart haben einzelne Kohlenstoff-Atome eines Diamanten durch Stickstoffatome ersetzt.

Spectrums Arbitrary-Waveform-Generator im Experimentallabor: Wissenschaftler der Universität Stuttgart haben einzelne Kohlenstoff-Atome eines Diamanten durch Stickstoffatome ersetzt. Spectrum Instrumentation

Die Wahl der Forscher fiel auf einen Arbitrary-Waveform-Generator, kurz AWG, von Spectrum. Das System wurde so erweitert, dass es sein Signal auf 10 Kanäle verteilen kann (vier analoge und sechs digitale Kanäle). Ermöglicht wurde dies durch das modulare Design der Spectrum-Produkte: Die Basiskarte liefert mit ihrem AWG-Modul drei Digitalmarker-Kanäle. Durch das Aufstecken eines weiteren Moduls kamen weitere drei Kanäle hinzu. Genutzt wird dabei Spectrums Generatornetbox DN2.663-04 als Stand-alone-Gerät. Über Ethernet lässt sich das System von jedem beliebigen PC im Labor fernsteuern.

Kurze Impulse zwischen 10 und 20 Nanosekunden

Der AWG kontrolliert den Laser, das Mikrowellensignal mittels IQ-Modulation, generiert die Hochfrequenz-Pulse und triggert Datenerfassungsgeräte, um den Spin-Status festzulegen. „Der AWG überwacht durch seine vielen Ausgangskanäle das gesamte Experiment“, erklärt Thomas Oeckinghaus, ein Experimentalphysiker  der Universität Stuttgart, der sich mit dieser Forschung seinen PhD-Titel erarbeitet hat. „Für den AWG von Spectrum sprach vor allem seine hohe Geschwindigkeit. Wir brauchen für das Experiment sehr kurze Impulse zwischen 10 und 20 ns. Mit einer Ausgaberate von 1,25 GSample/s können diese mit sehr hoher zeitlicher Auflösung von 800 ps generiert werden.“

Jeder Kanal von Spectrums AWG hat einen 16 Bit Digital-Analog-Wandler (DAC) und kann völlig frei programmierte Wellenformen mit größter Präzision als analoges Signal erzeugen. Die Frequenz reicht dabei 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.

Arbiträrer Wellenformgenerator im Experimentallabor

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

Das so gewonnene NV lässt sich beispielsweise als Magnetfeld-Messfühler auf atomarer Ebene einsetzen. Man hat in der Tat einen nuklearen Magnetresonanz-Scanner (NRM) auf Nano-Ebene, berichtet die Universität Stuttgart. Denn durch die Interaktion des Spins dieses Stickstoffatoms mit kleinen lokalen Magnetfeldern ist es möglich, deren Stärke und Frequenz zu ermitteln. Eine praktische Anwendung könnte das Auslesen der magnetischen Informationen auf einer Festplatte sein. Dieser NMR-Scanner im Nanobereich kann auch 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.

Die Stickstoff-Fehlstelle kann auch als Qubit in einem Quantencomputer zum Einsatz kommen. 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 Stickstoffatome unter der Oberfläche des Diamanten in das Kohlenstoff-Atomgitter eingesetzt werden, hängt von der benutzen Energie ab. Typisch ist eine Tiefe von 5 nm. Das Ziel ist es, diese Fehlstellen einzeln Stück für Stück zu implantieren, um damit Datenfelder für Quantencomputer zu erzeugen.