Empfindliche Sensoren basierend auf Diamant Farbzentren In seiner Doktorarbeit hat Dr. Josh Zuber Silizium-Vakanzzentren in Diamanten für Anwendungen in der Rastersondenmag- netometrie untersucht. Diese Diamant- Farbzentren sind von besonderem Inter- esse, da sie auch unter extremen Bedin- gungen exzellente optische und Spin-Ei- genschaften ausweisen sowie eine hervor- ragende Photostabilität besitzen. Josh Zuber konnte in seinen Arbeiten zeigen, dass sich negativ geladene Sili- zium-Vakanzzentren in optimierten Na- nostrukturen (SiV − ) aufgrund der hohen räumlichen Auflösung und Empfindlich- keit für die Untersuchung komplexer phy- sikalischer Systeme eignen, die bei ext- rem tiefen Temperaturen (<-272.15) und starken Magnetfeldern analysiert werden müssen. Weitergehende Untersuchungen belegten, dass auch das neutrale Silizium- Vakanzzentrum (SiV 0 ) in Diamanten ein vielversprechender Kandidat für Quan- tentechnologie-Anwendungen ist. Josh Zuber stellte in seiner Arbeit eine neue Methode zur Kontrolle des Ladungszu- stands der SiV-Zentren vor, die eine Ober- flächenbehandlung und optische Techni- ken zur Umschaltung zwischen den SiV − und SiV 0 -Ladungszuständen umfasst. Seine Arbeit leistet einen wesentlichen Beitrag zur Verwendung von SiV-Zentren für präzise Messungen unter extremen Bedingungen und bietet neue Methoden zur Kontrolle von Diamant-Farbzentren, die den Weg für fortschrittliche Quanten- technologien in der Quantensensorik, beim Quantencomputing und in der Quantenkommunikation ebnen. Publikation: https://doi.org/10.1021/acs. nanolett.3c03145 Josh Zuber hat seine Doktorarbeit am Departe- ment Physik der Universität Basel durchgeführt und war dort dann auch als Postdoktorand tätig. Mit Licht gekoppelt Dr. Gian-Luca Schmid hat in seiner Dok- torarbeit zwei unterschiedliche Quanten- systeme über eine vergleichsweise grosse Distanz von einem Meter mithilfe von Laserlicht gekoppelt. Derartige Schnitt- stellen sind für zukünftige Quantentech- nologien von grosser Bedeutung. Als mikroskopisches System verwen- dete Gian-Luca den kollektiven Spin einer Wolke kalter Rubidium-Atome. Bei dem makroskopischen System handelt es sich um eine vibrierende Membran, die zwi- schen zwei Spiegeln angebracht ist. Die Membran weisst eine Nanostruktur auf, welche die Schwingungseigenschaften optimiert. Gian-Luca hat die Interaktion der bei- den Systeme genutzt, um den mechani- schen Oszillator innerhalb eines Bruch- teils einer Millisekunde auf eine Tempe- ratur nahe des absoluten Nullpunkts zu kühlen. Dazu werden zunächst die Eigen- drehimpulse der Atome in einer wohlde- finierten Richtung ausgerichtet – was ei- nem sehr kalten Zustand nahe des abso- luten Nullpunkts entspricht. Da die bei- den Systeme gekoppelt sind, kann die aufgrund der Raumtemperatur der Um- gebung stark vibrierende Membran ihre Energie an die Atome übertragen. Mit Laserlicht werden diese dann schnell wie- der in den Ausgangszustand zurückver- setzt. Dieses Prinzip der kohärenten Rückkopplung, bei dem der Atomspin als Kontrolleinheit des Oszillators dient, funktioniert ohne Messungen, die das System beeinflussen würden. Publikation: https://doi.org/10.1103/PhysRe vX.12.011020 Video: https://youtu.be/gWER3ToDqNo Gian-Luca Schmid hat seine Doktorarbeit am De- partement Physik der Universität Basel absolviert und dort seine Arbeiten als Postdoktorand weiter geführt. Kopplung eines Festkörpers mit einem Atomsystem Dr. Moritz Weegen hat in seiner Doktor- arbeit ein Hybridsystem aus einem Fest- körper und wenigen Atomen entwickelt und anschliessend charakterisiert. Er koppelte dazu einen geladenen na- nomechanischen Oszillator in Form eines Silber-Gallium-Nanodrahts (Ag 2 Ga) an ein- zelne Calciumionen (Ca + ), die in einer Hochfrequenzfalle gefangen sind. In die- sem Hybridsystem lassen sich die Calci- umionen durch die mechanische Bewe- gung des Nanodrahts anregen. In seinen experimentellen Arbeiten zeigte Moritz Weegen, dass die Stärke der Kopplung von verschiedenen Parametern abhängt wie mechanische Eigenschaften und Schwingungsamplitude des Nano- drahts, Abstand zwischen Nanodraht und Ionen sowie Ladung des Nanodrahts. Um diese experimentellen Ergebnisse zu un- terstützen, entwickelte er ein theoreti- sches Modell des Hybridsystems und führte Simulationen aus, welche die Wechselwirkung im klassischen Bereich beschreiben. Derartige Hybridsysteme aus einem Festkörper und einem Atomsystem nut- zen die Vorteile der beiden gekoppelten Systeme und versprechen neue Anwen- dungen in der Quantentechnologie und Quantenkommunikation. Publikation: https://doi.org/10.1103/PhysRev Lett.133.223201 Moritz Weegen hat seine experimentellen Arbei- ten an den Departementen Chemie und Physik der Universität Basel durchgeführt. Er arbeitet jetzt als Data Engineer bei IWB. 18 SNIJahresbericht 2024