Creation and charge state dynamics of nitrogen-vacancy colour centres in diamond for quantum applications

Abstract

In den letzten Jahrzehnten hat das negative Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (NV-) im Diamanten seine vielseitige Einsatzfähigkeit sowohl als Sensor für Temperatur und elektrische sowie magnetische Felder, als auch als vielversprechendes Festkörpersystem für Quanteninformationsverarbeitung gezeigt. Potenzielle Anwendungsbereiche von NV Zentren hängen sehr stark von der Qualität des ursprünglichen Diamantmaterials, aber auch vom NV- Herstellungsprozess selbst ab, weil dieser die lokale Umgebung des NV Farbzentrums und somit auch seine Eigenschaften direkt beeinflusst. Limitierende Dekohärenzeffekte können Faktoren wie dem Spin-Bad der 13C Atome, den Elektronen-Donoren (z.B. Stickstoff) und der Kristallschädigung zugeschrieben werden. Ein Ziel der PhD Arbeit lag in der Untersuchung verschiedener Methoden zur Erzeugung von NV Zentren in Hinblick auf unterschiedliche Anwendungen: Neutronen- bzw. Elektronenbestrahlung für die NV Erzeugung in stickstoffreichem Diamantkristall, und nieder-energetische Stickstoffimplantation (8 keV) für die NV Erzeugung in ultrareinem Diamanten in einer hauchdünnen Schicht, nur 12 nm unterhalb der Kristalloberfläche. In der Stickstoff-Implantations-Serie haben wir seichte NV Ensembles verschiedener Dichten hergestellt und konnten den Einfluss der Implantationsdosis (10 10-10 14/cm2 Stickstoff Ionen) auf die Eigenschaften der NV Zentren untersuchen. Die Langlebige Spinkohärenz der NVs ist für deren Anwendung eine maßgebliche Quanteneigenschaft und setzt zumindest einen stabilen, negativen Ladungszustand voraus. Dieser Zustand ist aber photochemisch nicht stabil und zerfällt zum neutralen Ladungszustand NV0, wodurch das NV alle essenziellen Spin- Eigenschaften verliert. Die Ladungszustandsdynamik spielt daher eine Schlüsselrolle für das fundamentale Verständnis und die Anwendbarkeit des Farbzentrums. Als Schwerpunkt wurde die Zeitabhängigkeit des De-Ionizations- (NV-- NV0) und Rekombinationsprozesses (NV0 - NV-) für oberflächennahe NV Zentren in Ensembles unterschiedlicher Dichte erforscht, und über eine Serie von gepulsten mehrfarbigen Laser-Anregungs-Sequenzen gemessen. Zusätzlich zu den Laser-induzierten Prozessen haben wir auch spontane Ladungszustandsänderungen studiert und haben beobachtet, dass die Charakteristika des Zerfalls (NV- - NV0) sehr stark von der Dichte der NV Ensembles abhängen. Dies ist für zahlreiche Anwendungen der NV Zentren von Bedeutung, z.B. für das Detektieren von Ladungen und Feldern nahe der Diamantoberfläche, weil der Zerfallsprozess die Kohärenzzeit und somit auch die Sensitivität von NV-basierten Sensoren limitiert. Für das längerfristige Bestreben nach Purcell-verstärkten NV Zentren in einem Array von Mikrokavitäten, haben wir auch das Potential der Implantation unter Verwendung von Fotolackmasken zur Erzeugung von NV Zentren erforscht. Die Feinabstimmung der Implantationsfluenz mit den Elektronenstrahl-Lithografie-Parametern für die Fotolackstrukturierung hat es uns ermöglicht, NV Erzeugung bis hin zu einzelnen NV Zentren hinunter zu skalieren und eine Positionsgenauigkeit von 10nm zu erreichen . Zusätzlich haben wir Stickstoffimplantierte Diamanten mit Goldelektroden hergestellt um eine Photostrom-Detektion der magnetischen Resonanz (PDMR) zu messen, eine neue Methode um die Spin Zustände des NVs direkt auf einem Diamant-Chip auszulesen. Die hochpräzise maskierte Implantation, kombiniert mit der Herstellung von elektrischen sowie Mikrowellen-Strukturen auf der Diamantoberfläche, wird es ermöglichen groß angelegte Arrays von NV basierten Sensoren und Quanten-Bausteinen zu erzeugen.

In the past decades the negative nitrogen-vacancy (NV-) centre in diamond has demonstrated its versatility both as a sensor for temperature, electrical and magnetic fields, and as a promising solid-state system for quantum information processing. Potential applications of NV centres strongly depend on the quality of the initial diamond host material and on the NV's creation process itself, as it directly influences the NV's local environment and thus its properties. Limiting decoherence effects can be attributed to factors including the spin bath of 13C atoms, electron donors (e.g. nitrogen) and crystal damage. One part of this PhD thesis describes the creation of NV centres tailored for different applications: Neutron versus electron irradiation for dense ensemble creation in nitrogen-rich diamond crystals, and low energy nitrogen implantation (8 keV) for precisely positioned NV centres in ultrapure diamond, within a thin layer just 12 nm below the surface. In the nitrogen implantation series we created shallow NV ensembles of different densities and studied the influence of implantation dose (10 10-10 14 /cm2 nitrogen ions) on the NV's properties. However, long-lived spin coherence of NV- would require at least a stable charge state, but it is photochemically not stable and thus loses the essential spin characteristics as soon as it converts to the neutral charge state, NV0. The charge state dynamics therefore play a key role in the fundamental understanding and application of the color centre. In one of the key investigations of the thesis, we explored the time dependence of de-ionization (NV- - NV0) and recombination (NV0 - NV-) for shallow NV centres of different densities via a series of pulsed multi-color laser excitation sequences. In addition to laser-induced processes, we studied the spontaneous charge conversion and discovered that the characteristics of the decay (NV- - NV0) depend strongly on the density of the color centres. This is of importance for numerous applications of NV centres, e.g. for sensing charges and fields near the surface of the diamond, as the decay process limits the coherence time - and thus the sensitivity - of NV-based sensors. Aiming towards Purcell-enhanced NV centres inside an array of microcavities, we also explored the potential of masked implantation via electron-beam lithography and subsequent nitrogen implantation to create arrays of implanted NV defects. Fine-tuning the initial mask resist parameters and the implantation fluence has enabled us to scale NV creation down to single NV centres. We furthermore fabricated nitrogen implanted diamond samples with gold electrodes directly on the diamond surface. These devices were used to perform photocurrent detection of magnetic resonance (PDMR), a new method to read out the NV- spin states electrically on a diamond chip. The nanometer-scale accuracy of masked implantation, combined with the fabrication of electrical and microwave structures on the diamond surface, will allow the creation of large-scale arrays of NV-based sensors and quantum devices.