FBH bietet Diamantbearbeitung für Quantentechnologien als neuen Service an

Das Ferdinand-Braun-Institut in Berlin bearbeitet ab sofort Diamant auch für Partner in Forschung und Industrie. Das Angebot unterstützt die Entwicklung diamantbasierter Quantenspeicher und Quantensensoren. Es reicht von der Präparation der Oberflächen, um Verspannungen und Schädigungen zu reduzieren, über die kontrollierte Ionenimplantation, mit der Farbzentren erzeugt werden, bis zur Herstellung nanoskaliger Strukturen.

Diamant gewinnt als Material für die Quantentechnologien zunehmend an Bedeutung. Defekte in seinem Kristallgitter, sogenannte Farbzentren, können sich wie einzelne Atome verhalten. Ihre diskreten Spinzustände lassen sich über optische Übergänge ansprechen. Damit eignen sie sich als Bausteine für Quantenspeicher und als Lichtquellen für die Quantenkommunikation und -sensorik.

Damit aus diesen Eigenschaften funktionsfähige Bauelemente entstehen, muss Diamant jedoch besonders präzise bearbeitet werden. Wie sich das Material im Nanomaßstab strukturieren lässt, ist im Vergleich zu etablierten Halbleitertechnologien bislang weniger erforscht. Hier setzt das gemeinsam mit der Humboldt-Universität zu Berlin betriebene Joint Lab Diamond Nanophotonics am Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) an. Es verbindet seine Expertise in der Halbleiterprozesstechnik mit Spezialwissen in der Quantenoptik und bei festkörperbasierten Nanosystemen.

„Mit unseren Verfahren zur Diamantbearbeitung schaffen wir eine Technologieplattform, die präzise Nanofabrikation mit quantenoptischer Funktionalität verbindet“, sagt Prof. Dr. Tim Schröder, Leiter des Joint Lab Diamond Nanophotonics. „Damit können wir Prozesse für unterschiedliche Farbzentren entwickeln, weiter verfeinern und für die Forschung sowie die anwendungsorientierte Entwicklung bereitstellen.“

Von der Oberflächenpräparation bis zu nanoskaligen Strukturen

Das FBH bietet drei sich ergänzende Bearbeitungsschritte an:

Oberflächen präparieren. Plasmaätzen bereitet die Diamantoberfläche für weitere Prozessschritte vor. Mechanisches Polieren kann oberflächennahe Verspannungen und Schädigungen hinterlassen. Diese können bei Quantenanwendungen unerwünschtes Rauschen verursachen. Der Ätzprozess entfernt die beeinträchtigte Schicht und schafft eine definierte, schädigungsarme Oberfläche. Mit sauerstoff- und chlorbasierten Plasmaätzverfahren kann das FBH bis zu 20 µm Material abtragen und dabei eine Oberflächenrauheit von rund 0,5 nm rms beibehalten.

Farbzentren gezielt erzeugen. Das FBH kann anschließend ausgewählte Ionen in den Diamanten implantieren, um bestimmte Farbzentren zu erzeugen. Dafür stehen verschiedene Elemente zur Verfügung, darunter Kohlenstoff, Stickstoff, Silizium, Germanium und Zinn. Die Implantation von Ionen in hochreine Diamantsubstrate trägt dazu bei, rauscharme Farbzentren mit guten Kohärenzeigenschaften zu erhalten. Dieser kontrollierte Prozess ist ein wichtiger Schritt hin zu effizienten Quantenspeichern und anspruchsvollen Sensorikanwendungen.

Nanostrukturen herstellen. Aus den Diamanten kann das FBH nanoskalige Säulen herausarbeiten. Diese Strukturen können einzelne Farbzentren enthalten und dazu beitragen, die von ihnen emittierten Photonen effizienter zu sammeln. Das erhöht die Effizienz von Einzelphotonenquellen. Die Strukturen eignen sich für Anwendungen in der Quantensensorik und -kommunikation. Mittels Elektronenstrahllithografie passt das FBH die Geometrie der Nanostrukturen flexibel an die jeweilige Anwendung an.

Kundinnen und Kunden können diese Bearbeitungsschritte einzeln oder in Kombination beauftragen. Das FBH stellt geeignete Diamantsubstrate bereit oder bearbeitet kundenseitig bereitgestelltes Material.

Eine Plattform für integrierte Quantenphotonik

Das Angebot baut auf langjähriger Forschung zu Defektzentren in Diamant und der Expertise des FBH in der Nanofabrikation auf. Die Forschenden entwickeln die Technologieplattform stetig weiter. Ziel sind reproduzierbare, skalierbare Prozesse, mit denen sich künftig Diamantnanostrukturen mit photonischen Schaltkreisen kombinieren lassen.

Die Plattform soll einen Baukasten bieten, mit dem sich sowohl etablierte als auch neue Arten von Farbzentren in photonische Systeme integrieren lassen. Mögliche Anwendungen reichen von hellen, kompakten Quantenlichtquellen über Spin-Photon-Schnittstellen für die Quanteninformationsverarbeitung, einschließlich Verschränkungsoperationen, bis zu diamantbasierten Sensoren.

Das FBH und seine Forschungspartner haben bereits zentrale Verfahren demonstriert. In einer Studie in Physical Review X wiesen die Forschenden Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamantnanosäulen mit schmalen optischen Linienbreiten nach. Sie zeigten lebensdauerlimitierte Linienbreiten auf einer Messzeitskala von einer Sekunde sowie eine inhomogene Linienbreite von 150 MHz: https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.13.011042 
In weiteren Studien untersuchten Kooperationspartner die optischen und quantenphysikalischen Eigenschaften von Farbzentren, die durch Ionenimplantation am FBH erzeugt wurden.

Weitere Informationen: https://www.fbh-berlin.de/transfer-services/dienstleistungen/diamantbearbeitung