Diamanten unter Strom

Physiker der Universität Basel konnten Fehlstellen im Kohlenstoffgitter einzelner, nur wenige Nanometer großer Diamanten nachweisen, indem sie einen unter bestimmten Bedingungen dort entstehenden elektrischen Strom registrierten. Darüber berichten sie im Fachjournal „Nano Letters“.

Das Team der Universität Basel und des Deutsch-Französischen Forschungsinstituts St. Louis untersuchte Diamantkristalle von einer Größe von lediglich fünf Nanometern, also fünf Millionstel Millimetern. Mit dem Rastertunnel- und dem Rasterkraftmikroskop bestimmten die Physiker die atomare Struktur der Oberfläche und beobachteten sowohl kristalline, sechseckige Kohlenstofffacetten wie auch graphitartige Strukturen. Dabei entdeckten sie, dass bei bestimmten Spannungen und durch das Einstrahlen grünen Lichts ein zusätzlicher elektrischer Strom fließt.

Zu sehen ist ein etwa 13 mal 13 Nanometer großer Ausschnitt der Oberfläche eines Nanodiamanten aufgenommen mit einem Rastertunnelmikroskop. Man erkennt mehrere große Inseln, die mit kleinen teils schlangenartigen, teils strickmusterartigen Strukturen bedeckt sind.
Oberfläche von Nanodiamanten

Dieser Strom hängt mit dem Vorkommen von Verunreinigungen des reinen Kohlenstoffgitters des Diamanten zusammen, sogenannter Stickstoff-Fehlstellen-Zentren, die optisch aktiv sind. Solche Defekte sind viel versprechende Kandidaten für einen Einsatz in zukünftigen Quanteninformationssystemen, Spin-Magnetometrie-Sensoren und Einzelphotonenquellen. Ihr Nachweis im Bereich von weniger als zehn Nanometern wäre mit herkömmlichen optischen Verfahren sehr schwierig gewesen, weshalb die Physiker mehrere Methoden kombinierten.

„Mit unserer Studie konnten wir zeigen, dass es möglich ist, die Anwesenheit von optischen Zentren in einzelnen Nanodiamanten mit einer hohen Auflösung nachzuweisen“, sagt Ernst Meyer vom Departement Physik der Universität Basel. Die Anwendung von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren könnte beispielsweise in Quantencomputern liegen, die wesentlich effizienter arbeiten als herkömmliche Computer.