14.02.2018

Spectrum: Arbiträrer Wellenformgenerator im Experimentallabor

An der Universität Stuttgart wird ein Arbitrary Waveform Generator (AWG) von Spectrum für Experimente benutzt, in denen einzelne Atome eines Diamanten durch Stickstoffatome ersetzt werden. Damit kann z.B. ein Magnetfeldsensor auf atomarer Ebene oder ein Qubit für einen Quantencomputer erzeugt werden.


Bild: Spectrum Instrumentation

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 Spectrum so erweitert wurde, dass er sein Signal auf 10 Kanäle verteilen kann (vier analoge und sechs digitale Kanäle). Dies war durch das modulare Design der Spectrum Produkte möglich: die Basiskarte liefert mit ihrem AWG-Modul drei Digitalmarker-Kanäle.


Durch das Aufstecken eines weiteren Moduls kamen weitere drei Kanäle hinzu. Genutzt wird dabei eine Spectrum DN2.663-04 generatorNETBOX als Stand-Alone-Gerät. Sie kann über Ethernet von jedem beliebigen PC im Labor ferngesteuert werden.



Der AWG kontolliert das Experiment

Der AWG kontrolliert den Laser, das Mikrowellensignal mittels IQ-Modulation, generiert die Radiofrequenz-Pulse und triggert Datenerfassungsgeräte, um den Spin-Status festzulegen. Der AWG kontrolliert durch seine Ausgangskanäle das gesamte Experiment. Für das Experiment benötigen die Forscher sehr kurze Impulse zwischen 10 und 20ns. Mit 1,25 GS/s Ausgaberate können diese mit einer zeitlichen Auflösung von 800ps generiert werden.



Das Equipment

Jeder Kanal von Spectrums AWG hat einen 16-Bit-Digital/Analog-Wandler (DAC) und kann frei programmierte Wellenformen mit größter Präzision als analoges Signal erzeugen. Die Frequenz reicht dabei von 0 bis 400MHz. 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 weiter sein Signal, während neue Daten in seinen Speicher geladen werden.



Die Experimente

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).


Dieses kann dann z.B. als Magnetfeld-Messfühler auf atomarer Ebene benutzt werden. Man erhält 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 5nm. Das Ziel ist es, diese Fehlstellen einzeln Stück für Stück zu implantieren, um damit Datenfelder für Quantencomputer zu erzeugen.


 


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