Durchbruch bei Diamantkristallen: Wie **Defekte** die Quanten-Sensoren der Zukunft prägen
Brigitta Schüler
Durchbruch bei Diamantkristallen: Wie **Defekte** die Quanten-Sensoren der Zukunft prägen
Forschende haben einen Durchbruch bei der Messung dielektrischer Verluste in Diamantkristallen erzielt – eine Entwicklung von entscheidender Bedeutung für Quanten-Sensoren und Fusionsreaktoren. Ein Team des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des japanischen Nationalen Instituts für Fortgeschrittene Industrielle Wissenschaft und Technologie (AIST) entwickelte eine präzise Methode unter Einsatz supraleitender Mikroresonatoren, um diese Verluste bei extrem tiefen Temperaturen zu bewerten.
Im Mittelpunkt der Studie standen einkristalline Diamantproben, bei denen der Stickstoffgehalt eine zentrale Rolle spielte. Höhere Stickstoffkonzentrationen führten zu größeren dielektrischen Verlusten, wie durch Ramanspektroskopie bestätigt wurde, die in allen getesteten Materialien Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (NV-Zentren) nachwies. Unter den Proben zeigte die Variante J-Clone den niedrigsten Verlustfaktor – lediglich 7,31×10⁻⁶ – dank weniger Defekte und optimierter Züchtungstechniken.
Durch Abkühlung der Proben auf Temperaturen unter einem Kelvin erreichte das Team eine außergewöhnliche Messempfindlichkeit. Supraleitende Dünnschichtresonatoren mit Gütefaktoren, die herkömmliche Methoden übertreffen, ermöglichten eine präzise Charakterisierung der NV-Defektdichte und deren Auswirkungen auf die Kohärenzzeiten. Demgegenüber führte die höhere Defektdichte in der J-Clone-Probe zu erhöhten Verlusten und unterstrich damit den Einfluss struktureller Unregelmäßigkeiten. Für die Zukunft deuten die Ergebnisse auf eine Verfeinerung der Diamantherstellung hin: Fortgeschrittene Züchtungs- und Fügeverfahren, wie sie bei der Clone-Probe angewendet wurden, könnten Substrate mit minimalen Verlusten hervorbringen – maßgeschneidert für Hochleistungsanwendungen in der Quanteninformatik und Energietechnik.
Die Studie liefert ein klareres Verständnis dafür, wie Stickstoff und Defekte die dielektrische Leistung von Diamant beeinflussen. Mit diesen Erkenntnissen können Hersteller nun gezielt Materialien mit geringeren Verlusten für Geräte der nächsten Generation entwickeln. Zudem legt die Arbeit den Grundstein für die weitere Optimierung diamantbasierter Technologien.
