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. 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).

Der Aufbau des Stickstoff-Fehlstellen-Experiments an der Universität Stuttgart. Spectrum Instrumentation

Das Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum kann zum Beispiel 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 dieses Stickstoff-Atoms mit kleinen lokalen Magnetfeldern kann deren Stärke und Frequenz ermittelt werden. 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 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 5 nm. 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 neuesten Generation, der von der Spectrum-Crew so erweitert wurde, dass er sein Signal auf zehn Kanäle verteilen kann (vier analoge und sechs digitale Kanäle). Dies war nur möglich 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 digitale Kanäle hinzu. Genutzt wird dabei die Generator Netbox DN2.663-04 von Spectrum als „Stand-Alone“-Gerät. Sie kann über Ethernet von jedem beliebigen PC im Labor ferngesteuert werden.

Der AWG steuert den Laser. Das Mikrowellensignal generiert mittels IQ-Modulation die Hochfrequenz-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 sich mit dieser Forschung seinen PhD-Titel erarbeitet. „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 GSample/s Ausgaberate können diese mit sehr hoher zeitlicher Auflösung generiert werden.”

Der Experimentalphysiker Thomas Oeckinghaus ist Doktorand an der Universität Stuttgart. Spectrum Instrumentation

Ein neues Gerät kann eine Herausforderung sein, besonders wenn es so wichtig für das Experiment ist und es so viele Möglichkeiten bietet. Thomas 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 Spectrum-AWGs 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.

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