(A)diabatische Passagen in Festkörpern zur nuklearen Hyperpolarisation und Optimierung am Modelsystem Stickstoff-Vakanz-Zentren in Diamant

• Antragsteller: Dr. Ralf Wunderlich
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 510693845

Vorhaben des Projekts ist die Erforschung der Übertragung nicht-bolzmannverteilter Elektronenspin-Polarisation auf Kernspins. Grundlegende Idee ist es dafür diabatischer und adiabatische Passagen in den Eigenzustandsverläufen der beteiligen Elektron-Kern-Systeme auszunutzen. Dabei wird ein Parameter (z. B. ein externes Magnetfeld oder ein extern eingestrahlten Mikrowellenfeld) zeitlich kontinuierlich verändert. Dabei bestimmt der gewählte zeitliche Verlauf die Effizienz mit der es zu einem potentiellen Polarisationsübertrag zwischen den Systemkonstitutenten kommt. Die Fragestellung soll in Kombination mit einem kompakten und günstigen Tisch-NMR-Gerät untersucht werden. Diese Geräte bieten ein nur vergleichsweise (für NMR-Verhältnisse) schwaches Magnetfeld von etwa drei Tesla. Dies resultiert in einem geringeren NMR-Signal im Vergleich zu großen supraleitenden NMR-Magneten. Die Methoden der nuklearen Hyperpolarisation kann potentiell diese Signaldifferenz kompensieren. Als Modellsystem sollen Stickstoff-Vakanz-Zentren (kurz NV-Zentren) in Diamanten verwendet werden. Deren Elektronenspins lassen sich durch optische Beleuchtung in hohem Maße polarisieren. Die Herausforderung ist es nun diese Polarisation auf umgebende Kerne (im Diamantmodellsystem 13C-Spins) zu übertragen. Dabei wird die Festkörperprobe in einem sehr niedrigen Magnetfeld (einige Millitesla) in einem sogenannten "Hyperpolarizer" unter optischer Beleuchtung hyperpolarisiert und anschließend in das Tisch-NMR-Gerät transferiert. Für den Elektron-Kern-Spintransfer kommen unterschiedliche Methoden infrage, wobei hier die (a)diabatischen Passagen Verwendung finden soll. Ausnutzung dieser Technik könnte in der Zukunft die Signale in NMR-Anwendungen um Größenordnungen erhöhen und somit Messzeiten sowie Kosten verringern. Darüber hinaus können die beteiligten Elektronen und Kerne als Qubits aufgefasst und der Polarisationsübertrag als Gate-Operation zwischen dieses betrachtet werden. Somit ist das Verständnis der zugrundeliegenden quantenmechanischen Prozesse der Hyperpolarisation ebenso relevant für die Quanteninformationprozessierung (QIP). Der Schwerpunkt soll auf der direkten nuklearen Hyperpolarisationsanwendung liegen, wobei aber die Relevanz in der QIP stets Berücksichtigung finden soll.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Tisch-NMR-Gerät
• Gerätegruppe: 1740 Hochauflösende NMR-Spektrometer
• Mitverantwortlich: Dr. Wolfgang Knolle