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Microwave microstructures for enhanced coherent control of nitrogen-vacancy center spin qubits in diamond

Kowar, Adrian (2013) Microwave microstructures for enhanced coherent control of nitrogen-vacancy center spin qubits in diamond.
Diplomarbeit, University of Vienna. Fakultät für Physik
BetreuerIn: Schmiedmayer, Jörg

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DOI: 10.25365/thesis.27505
URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-30458.60544.799866-2

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Abstract in English

The principles, possible application and basic implementation of coherent manipulation of single electronic spins of nitrogen vacancy defect centres in diamond using optically detected magnetic resonance has been explored for many years, but the road ahead to achieve a mature application is still a long way off. A key issue in order to rach that goal is to be able to control the spin states with adequate precision. That control is performed by microwave pulses applied to the defect centre and would essentially beneitt from faster state transitions, as decoherence in the form of dephasing represents the greatest impediment in fulfilling that demand. This thesis aims to show that it is possible to enhance the accuracy of spin manipulation by introducing a micro-structure upon the diamond surface, which transports the inbound microwave pulse from a co-planar wave-guide to a location on the diamond where a short-circuit of the structure creates a large magnetic field. As the short-circuit is designed to be circular, the field is expected to closely conform to the field of an ideal current loop, which is supported by finite element simulations. As a central part of this thesis I manufactured such a device using the micro-technological process of photo-lithography. As applying such tiny structures to small diamond samples poses unexpected difficulties, the reliable procedure that was developed in the process will be highlighted in detail. To demonstrate the success of the process, basic spin manipulation experiments were carried out. These show that the micro-structure performs better than the previous setup, which incorporated a wire for transmission of the microwave signal. The advancements developed in this thesis are faster driven spin transitions, an increased signal-to-noise ratio for optically detected magnetic resonance measurements; a locally stronger magnetic field can successfully be confined to an arbitrarily-sized area with a known field geometry and an immutable position regarding the defect centres.

Schlagwörter in Englisch

nitrogen / vacancy / diamond / spin / qubit

Abstract in German

Die Prinzipien und möglichen Anwendungen, sowie die grundsätzliche Implementierung kohärenter Manipulationen einzelner Elektronenspins in Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamant mittels optisch detektierter Magnetresonanz wurden in den vergangenen Jahren ausführlich erforscht. Nichts desto trotz ist es noch ein weiter Weg zu einer ausgereiften Anwendung. Eine essentielle Voraussetzung um dieses Ziel zu erreichen ist die Möglichkeit die Spinzustände mit hinreichender Genauigkeit zu manipulieren. Solche Manipulationen werden mittels Mikrowellen-Pulsen durchgeführt und würden in erster Linie von einer Beschleunigung der Zustandsübergänge profitieren, da Dekohärenz in Form von Spin-Dephasierungen das größte Hindernis das genannte Ziel zu erreichen darstellt. Ziel dieser Diplomarbeit ist es zu zeigen, dass es möglich ist die Genauigkeit der Spin-Manipulation zu erhöhen, indem eine Mikrostruktur zur Leitung der Mirowellensignale auf dem Diamanten errichtet wird. Diese soll die Welle von einem koplanaren Wellenleiter zum Diamanten leiten, wo dieser kurzgeschlossen wird, wodurch an diesem Ort ein starkes magnetisches Feld erzeugt wird. Da der Kurzschluss kreisförmig gestaltet wird, liegt die Annahme nahe, dass sich das Magnetfeld wie das einer geschlossenen stromdurchflossenen Leiterschleife verhält, welche durch Finite-Elemente-Simulationen erhärtet wird. Im Rahmen der Diplomarbeit wurde mit Methoden der Mikroelektronik, insbesondere Photo-Lithographie, von mir eine derartige Struktur angefertigt. Zusätzliche Schwierigkeiten ergaben sich aufgrund des Umstandes, dass die Struktur auf sehr kleinen Diamantproben platziert werden sollte. Die Lösung dieses Problems machte die Entwicklung eines eigenen Verfahrens notwendig. Um den Erfolg des Herstellungsprozesses zu demonstrieren, wurden einfache Magnetresonanzexperimente durchgeführt. Diese zeigen, dass die Mikrostruktur bessere Ergebnisse liefert als die vorangehende Ausführung, welche aus einem die Mikrowelle transmittierenden Drahtstück bestand. Es kann festgestellt werden, dass die Spin-Übergänge mit der Mikrostruktur schneller getrieben werden können, sich das Signal-Rausch-Verhältnis bei optisch detektierten Magnetresonanz Messungen bessert, das lokal stärkere Magnetfeld auf eine beliebige räumliche Ausdehnung skaliert werden kann und die Feldgeometrie und -position bezüglich der Defekte stets bekannt ist.

Schlagwörter in Deutsch

Stickstoff / Fehlstellen / Diamant / Spin / Qubit

Item Type: Hochschulschrift (Diplomarbeit)
Author: Kowar, Adrian
Title: Microwave microstructures for enhanced coherent control of nitrogen-vacancy center spin qubits in diamond
Umfangsangabe: 127 S. : Ill., graph. Darst.
Institution: University of Vienna
Faculty: Fakultät für Physik
Publication year: 2013
Language: eng ... Englisch
Supervisor: Schmiedmayer, Jörg
Assessor: Schmiedmayer, Jörg
Classification: 33 Physik > 33.23 Quantenphysik
AC Number: AC11220661
Item ID: 27505
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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