Lichtausbeute verbessern – Im Nano-Argovia-Projekt NQsense wird die Empfindlichkeit von Quantensensoren für die Nanoskala optimiert

Dr. Felipe Favaro De Oliveira, CTO bei Qnami, arbeitet daran, die Ausbeute der ausgesendeteten Photonen zu erhöhen.

Im Projekt NQsense plant das Team um Projektleiter Professor Patrick Maletinsky, einen vollintegrierten Quantensensor mit deutlich verbesserter Sensitivität herzustellen. Dieser Sensor lässt sich beispielsweise einsetzen, um grundlagenwissenschaftliche Forschung in den Materialwissenschaften oder Fehleranalysen in der Halbleiterindustrie durchzuführen.

Diamanten als Sensoren
Das Team mit Wissenschaftlern des Departements Physik der Universität Basel, des Paul Scherrer Instituts und des Industriepartners Qnami – einem Start-up des Departments Physik der Universität Basel – stützt sich dabei auf winzige Quantensensoren aus Diamanten.

Im Kristallgitter der Diamanten werden dazu ganz gezielt zwei Kohlenstoffatome aus dem Gitter entfernt. Eine Position wird durch ein Stickstoffatom ersetzt, an der zweiten bleibt eine Leerstelle im Kristallgitter. In diesen Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV-Zentren) kreisen einzelne Elektronen, die angeregt oder manipuliert werden können. Der Eigendrehimpuls (Spin) und der elektrische Dipol dieser Elektronen sind sehr empfindlich gegenüber winzigen magnetischen und elektrischen Feldern. Wenn der Diamantsensor solchen Feldern ausgesetzt wird, ändert sich die Intensität des von den NV-Zentren ausgesendeten Lichts, was sich mit einem optischen Gerät messen lässt und eindeutige Rückschlüsse auf das beeinflussende Feld erlaubt.

Hochgesteckte Ziele
Das Team konnte in den letzten Jahren die aufwendige und anspruchsvolle Herstellung der winzigen Sensoren bereits deutlich optimieren. Jetzt erforschen die Wissenschaftler Möglichkeiten, die Sensitivität ihrer Sensoren zu erhöhen. Dies ist nicht ganz einfach, da Diamanten einen hohen Brechungsindex besitzen. Der Hauptteil des von den NV-Zentren ausgesendeten Lichts wird daher an den Aussenflächen nach innen reflektiert und steht für die Messung gar nicht zur Verfügung.

«Zurzeit können wir etwa 1-2 Prozent der ausgesendeten Photonen für unsere Messung nutzen. Innerhalb des Nano-Argovia-Projekts NQsense wollen wir nun Strukturen entwerfen und herstellen, mit denen wir die Ausbeute auf bis zu 50 Prozent steigern können», kommentiert Professor Patrick Maletinsky die anstehende Herausforderung.

«Das Nano-Argovia-Programm bietet den idealen Rahmen unser Produkt weiter zu entwickeln, da wir Synergien mit den Partnern an der Universität Basel und dem Paul Scherrer Institut nutzen und auch von der exzellenten technischen Ausstattung unserer Partner profitieren können», bemerkt Dr. Mathieu Munsch, CEO des Industriepartners Qnami.