EXP:ODMR an NV-Zentren

Bei diesem Versuch geht es darum, mithilfe von ODMR den Zeemann-Effekt von NV-Zentren im Diamanten zu zeigen. Hierzu wird ein fertiger Versuchsaufbau der Firma Advanced Quantum GmbH verwendet. Mit entprechendem Material ist es natürlich auch möglich den Versuch selbst aufzubauen.

Benötigtes Material (fertiger Aufbau)

• Versuchsaufbau zum NV-Zentrum von Advanced Quantum GmbH
• Schiene und Halterung
• Magnet
• Laptop

Benötigtes Material (Einzelteile)

• NV-Diamanten
• Photodiode
• Rotfilter
• grüner Laser oder LED
• 2 mal Linsen (Fokussierung des einfallenden Lichts auf den Diamanten + Abbildung des Diamanten auf die Photodiode)
• Mikrowellengenerator (Sweep zwischen 2,6 GHz und 3,1 GHz möglich)
• Mikrowellenverstärker
• Antenne, z.B. Ringantenne um den Diamanten
• Oszilloskop

Versuchsaufbau

Der Versuch wird mit dem vorgefertigten Aufbau durchgeführt. Dieser Besteht aus der Box mit der Steuerung, dem Laser, einem Diamant mit NV-Zentrum, einer Sammellinse und einer Photodiode. Der Diamant befindet sich in einer Fassung, in welche die Mikrowellenantenne eingelassen ist. Zur Erzeugung des Magnetfelds wird ein einfacher Neodyniummagnet verwendet, der an den Diamanten angenähert wird. Um zu verhindern, dass sich die Orientierung des Magnetfelds bei der Annhäherung ändert, wird eine Schiene an die Platte des Versuchsaufbaus angeschraubt, auf welcher der Magnet auf einer verschiebbaren Halterung befestigt wird, auf welcher er an den Diamanten angenähert werden kann.

Durchführung

Schritt 1

Die Box mit mit der Steuerung erzeugt bei Betrieb einen Webserver, mit dem man den Laptop mit dem zugehörigen Passwort verbinden kann. Die beiliegenden IP-Adresse wird in der Suchleiste des Internetbrowsers eingegeben, um die Software des Aufbaus aufzurufen.

Schritt 2

Über den entsprechenden Reiter wird die ODMR-Funktion ausgewählt. Es wird ein Frequenzfenster von 2810-2930 MHz gewählt und der Modus "continuous measurement" gewählt, bei welcher konstant neue Messwerte aufgenommen werden und die angezeigten Messwerte einen Mittelwert über eine gewisse Messzeit darstellen. Um störendes Streulicht von außen zu minimieren, wird eine Black Box um den Versuchsaufbau platziert, die nur zur Seite mit der Schiene offen bleibt. Der Magnet wird zunächst mithilfe der Schiene in einem Abstand von 100 mm platziert.

Schritt 3

Die Messung wird gestartet und zunächst einige Sekunden abgewartet, um sicherzustellen, dass alle NV-Zentren durch optisches Pumpen in den ³A₂ Zustand gelangen. Im Anschluss wird das Bild des graphen exportiert und gespeichert.

Schritt 4

Der Magnet wird nacheinander auf Abstände von 50, 40, 30, 25, 20, 15, und 10 mm angenähert und die Messung aus Schritt 4 wiederholt.

Versuchsaufbau zum NV-Zentrum von Advanced Quantum GmbH. Oben links befindet sich die Box zur Steuerung des Aufbaus. Auf der rechten Seite sind von unten nach oben der Laser, die Halterung des Diamanten mit Mikrowellenantenne, die Sammellinse und die Photodiode aufgereiht.

An den Versuchsaufbau angeschraubte Schiene zur Annäherung des Magneten.

Umsetzung mit einer Spule

Nähert man an den Diamanten einen Magneten überlagern sich mehrere Effekte. Zum Einen wird das Magnetfeld stärker. Zum Anderen ändert sich durch die Inhomogenität des Magnetfeldes auch die Projektion auf die NV-Achsen. Der Zeeman-Effekt kann also nicht nur durch die Frequenzdifferenz zweier Dips in der ODMR-Spektroskopie beobachtet werden beziehungsweise ist sehr fehlerhaft und schwieriger zu beobachten.

Eine Alternative zum Magneten stellt ein Elektromagnet dar. Dieser kann an beliebigen Orten neben dem Diamanten aufgestellt werden. Da die Magnetfeldstärke proportional des Stroms durch die Spule ist, muss das Magnetfeld nicht lokal gemessen werden. Eine Relativmessung stellt bereits den linearen Zusammenhang des Zeeman-Effekts dar.

Darstellung der Messwerte von Schüler*innen in einem Plot und einem Freihand-Fit. Die Werte wurden mit der Spule aufgenommen und Abstände der Dips im ODMR-Spektrum von Hand ausgelesen.

Auswertung

Bereits beim größten Abstand lassen sich zwei Minima der Fluoreszenzintensität beobachten, was darauf hinweist, dass die beiden Spinzustände bereits aufgespalten sind. Dies lässt sich selbst dann beobachten, wenn man den Magneten vom Versuchsaufbau entfernt. Die geringe Aufspaltung zu Beginn des Versuchs rührt daher nicht vom verwendeten Magneten. Die Aufspaltung lässt sich nicht nur dadurch erklären, dass bereits dass von elektronischen Geräten und Leitungen verursachte magnetische Hintergrundfeld ausreicht, um die Energieniveaus aufzuspalten. Dies lässt sich durch eine Rotation des Diamanten bei unveränderter Aufspaltung zeigen. Relevanter ist das sogenannte "Zero field splitting" bei welchem unter anderem umliegende Kohlenstoffkerne um das NV-Zentrum zu einer Aufspaltung beitragen. Bei Annäherung des Magneten lässt sich eine zunehmende Entfernung der beiden Minima beobachten, die auf eine zunehmende Aufspaltung der Energieniveaus hindeutet, wie sie für den zeeman-Effekt zu erwarten ist.

ODMR-Messung von NV-Zentren im Diamanten bei abnehmendem Abstand eines Neodymmagneten. Entsprechend des Zeeman-Effekts lässt sich eine zunehmende Aufspaltung der Resonanzfrequenzen beobachten. Ggfs. zum Abspielen anklicken.

Mögliche Probleme und ihre Lösungen

Wird statt der kontinuierlichen Messung eine zeitliche begrenzte Messung verwendet, so kann es passieren, dass während der Messung bei geringeren Mikrowellenfrequenzen noch nicht alle NV-Zentren im Grundzustand präpariert sind. Als Resultat lässt sich bei niedrigen Frequenzen eine abnehmende Fluoreszenz beobachten. Um dies zu verhindern, sollte wie oben beschrieben der kontinuierliche Messmodus verwendet werden.

Sicherheit

Der im Versuchsaufbau von Advanced Quantum GmbH verwendete Laser weist eine weitaus größere Leistung als der im ersten Versuch verwendete Laser auf. Es ist also bei diesem Versuch noch wichtiger, sicherzustellen, dass die Schülerinnen und Schüler nicht in den Strahl schauen können.