Coherent manipulation of nitrogen-vacancy center electron spins : single quantum systems in diamond

Abstract

Diese Diplomarbeit behandelt die grundlegenden sowie bemerkenswerten Eigenschaften von Stickstoff-Fehlstellen (NV) Zentren in Diamant. Das Ziel dieser Arbeit ist es die Fähigkeit zu entwickeln NV Zentren zu studieren bzw. zu manipulieren. In dieser Arbeit werden hauptsächlich einzelne Fehlstellen in ultrareinen synthetischen Diamanten untersucht, um die physikalischen Eigenschaften von NV Zentren sowohl zu demonstrieren als auch zu diskutieren. Neben dieser Hauptaufgabe werden auch Elektronenspin-Ensembles untersucht.<br />Die grundlegenden experimentellen Techniken der Fluoreszenz-Mikroskopie sowie optisch detektierte Magnetresonanz (ODMR) werden verwendet, um NV Zentren in Diamant zu charakterisieren. Der Einfluss von Magnetfeldern auf NV Zentren wird mithilfe von dauerstrich (CW) ODMR Spektroskopie untersucht. Um die wichtigsten Eigenschaften des NV Systems zu demonstrieren, werden Elektronenspins einzelner NVs kohärent manipuliert. Rabi-, Ramsey- und Spin-Echo-Spektroskopie geben Einblick in die mesoskopische Umgebung von NV Fehlstellen. Der Einfluss eines störenden Spinbades wird durch die Berechnung der inhomogenen Verbreiterung in Diamantgittern abgeschätzt und mit experimentellen Ergebnissen verglichen.<br />

The work presented in this thesis demonstrates the principal and remarkable features of nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond. The aim of this work is to understand and develop the capability of studying and manipulating NV centers. Therefore, this thesis mainly studies single defect centers in ultra-pure synthetic diamond, and so to discuss and demonstrate the physics of NV center. In addition to the main task ensembles of electron spins are examined.<br />In this thesis confocal fluorescence microscopy and optically detected magnetic resonance (ODMR) experiments are employed in order to study NV centers in diamond. The influence of magnetic fields on the NV defect is determined by continuous wave ODMR spectroscopy. The principal properties of the NV system are demonstrated and investigated by coherent manipulation of single NV center electron spins in ultra-pure diamond. Rabi-, Ramsey- and spin-echo measurements give insight in the mesoscopic environment of NV centers. The influence of perturbative spin baths is estimated through calculations of the inhomogeneous broadening in diamond lattices. The simulated results are furthermore compared to experimental derived values.<br />