Electron dynamics and practical magnetometry using nitrogen-vacancy defects in diamond

Abstract

In dieser Diplomarbeit werden Ensemble Nitrogen Vacanys (NV) behandelt. Das NV is eine Störstelle im Diamantgitters. Das Nv hat einige sehr interessante quantenmeachanische Eigenschaften unter anderem bietet es die Möglichkeit seine Spinzustandet optisch auszulesen, was zu einigen besonders interessante Anwendungen im Bereich der Quanten Information und Quanten Technologie führt. In dieser Arbeit wird die Dynamik von Photonen Üubergängen in NV Centers gemessen. Um einen Überblick über die zeitlichen Eekte im NV zu bekommen. Unter anderem wir die ebensdauer des angeregten Zustands von NV - gemessen und die Zeiten der Übergänge zwischen NV - und NV 0. Anschlieend zu diesen Untersuchungen wird die Stärke und Richtung eines magnetischen Feldes mithilfe eines NV Ensembles gemessen und danach mittels eines Hamiltonians die Stärke und Richtung des magnetischen Feldes bestimmt. Die Größe des NV Centers macht es ideal für magnetische Messungen, da es mit nur zwei Gitterplätzen im Diamantgitter sehr klein ist. Gleichzeitig erreicht man ein gutes Verhältnis zwischen Detektor Gröe und Sensitivität. In unseren Untersuchungen konnten wir zeigen das NV Ensemble als Magnetfeldsensoren durchaus mit anderen Methoden mithalten können. Im letzten Kapitel wird auf die theoretischen Grundlagen von Rabi Oszillationen und ihre Anwendung im NV eingegangen mit den sich daraus ergebenden zuküftige Anwendungen eingegangen.

In this thesis we want to have an look on nitrogen vacancy (NV) ensembles. NV centres are defects in the diamond with many dierent features. They are nice quantum system to build an optical readable spin systems. This aord a lot of dierent application in quantum information and quantum technology. In this thesis the dynamics of photon transitions in a NV centre is measured and analysed. In this measurements we have a look on the ionisation processes between NV - and NV 0 and the live-time of dierent levels in NV ensembles. An other interesting process is to use NV ensembles for measure strength and direction of magnetic Felds under using the quantum mechanical features of the NV. The size of the NV of only two palaces in the diamond grid make it possible to have very good proportion of detector size and sensitivity. In this thesis we build a magnetometer inside our setup and compare the measurements with the Hamiltonian to nd out the strength and direction of the eld. The last section is more theoretically and discuss Rabi oscillations in a NV system and gave you an outlook what we want to do in the future.