Dr. Daniel Riedel, gemeinsamer Postdoc in den Gruppen von Professor Richard Warburton und Professor Patrick Maletinsky, bekommt zurzeit einen Preis nach dem anderen für seine Dissertation und einer daraus entstandenen Veröffentlichung verliehen. Der ehemalige SNI-Doktorand hat im Rahmen seiner Doktorarbeit die Qualität einzelner Photonen, die durch ein Quantensystem generiert werden, drastisch verbessert und damit eine zehn Jahre alte theoretische Berechnung erfolgreich umgesetzt.

Hobby zum Beruf gemacht
Daniel Riedel begann im Juni 2013 seine Doktorarbeit in der SNI-Doktorandenschule. Ihn hatte das Thema der Doktorandenstelle, die von den Physik-Professoren Richard Warburton und Patrick Maletinsky ausgeschrieben worden war, sofort angesprochen. Bei der Arbeit sollte es um Lichtteilchen (Photonen) gehen, die von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (NV-Zentren) in Diamanten ausgesendet werden. NV-Zentren entstehen, wenn zwei Kohlenstoff-Atome im Diamantgitter durch ein Stickstoff-Atom und eine benachbarte Fehlstelle ersetzt sind. Die in der Fehlstelle gefangenen Elektronen verhalten sich aufgrund der extremen Reinheit der verwendeten Diamanten wie die Elektronen isolierter Atome und können somit zur Quanteninformationsverarbeitung genutzt werden.

Da Daniel Riedel sich bereits in seiner Diplomarbeit an der Universität Würzburg mit Fehlstellen in Siliziumkarbid und deren Manipulation und Nutzung beschäftigt hatte, lag es für ihn nahe, sich in Basel zu bewerben. «Es war eine leichte Entscheidung, hier zuzusagen.», erinnert er sich. «Die Infrastruktur und das Umfeld in Basel haben mich schnell überzeugt. Ich habe die Entscheidung auch nie bereut. Denn meine Dissertation fühlte sich für mich nicht wie Arbeit an, sondern eher wie ein Hobby», fügt er hinzu.

Grössere Lichtausbeute erforderlich
Sein Ziel war es, die Photonenausbeute dieser NV-Zentren zu steigern ohne durch Nanofabrikation andere positive Eigenschaften der NV-Zentren zu verschlechtern. Notwendig ist eine Verbesserung der Photonenausbeute, da aufgrund der grossen Unterschiede im Brechungsindex zwischen Diamant und Luft der grösste Teil des von den NV-Zentren emittierten Lichts an der Grenzfläche reflektiert wird. Dieses Licht bleibt im Diamanten und nur ein ganz geringer Teil des Lichts gelangt nach aussen.

Zunächst konzentrierte sich Daniel Riedel auf den gesamten Spektralbereich des ausgesendeten Lichts. Mithilfe einer dielektrischen optischen Antenne gelang es ihm, die Photonen in eine bestimmte Richtung zu konzentrieren und dort mit einem konventionellen Objektiv einzufangen. Die Antenne ist aufgebaut aus einer mehreren 100 Nanometer dicken Diamantmembran mit einzelnen NV-Zentren, die auf dem Halbleitermaterial Galliumphosphid (GaP) aufgebracht ist. Die Grenzschicht zwischen Luft, Diamant und GaP dient als optische Antenne. GaP ist als Material so gut geeignet, da es einen grösseren Brechungsindex als Diamant besitzt und in dem Spektralbereich, in dem das NV-Zentrum Licht aussendet, transparent ist. Daniel Riedel untersuchte die Abstrahlcharakteristik der Antenne für verschiedene Schichtdicken der Diamantmembran und fand eine sehr gute Übereinstimmung mit einem von ihm entwickelten analytischen Modell. «Ich konnte für sehr dünne Diamantschichten einzelne NV-Zentren isolieren und für diese die Lichtausbeute um eine Grössenordnung verbessern», erklärt er.

Weitere Aufgaben warteten
Geblieben war nach diesem ersten Teil der Arbeit jedoch die mangelnde Qualität der Photonen. Nur etwa drei Prozent aller ausgesendeten Photonen besassen die notwendigen Eigenschaften, um zwei NV-Zentren über grössere Distanzen hinweg quantenmechanisch miteinander zu verschränken und so zur Informationsübertragung zu nutzen. In den letzten drei Jahren seiner Doktorarbeit arbeitete Daniel daran, dieses Problem zu lösen. «Es ging dabei nicht immer schnell voran», bemerkt er. «Zwischendurch brauchte ich ganz schönes Durchhaltevermögen, um mit dem gleichen Elan dran zu bleiben.»

Es hat sich gelohnt! In seiner jüngsten Veröffentlichung in Physical Review X beschreibt Daniel Riedel, dass sich die Ausbeute der geeigneten Photonen von drei auf fast fünfzig Prozent steigern liess. Er erreichte diese signifikante Verbesserung, indem er einen optischen Mikroresonator verwendete, der die Emissionsrate in einem schmalen Frequenzbereich verstärkt. Dazu platzierte Daniel Riedel eine etwa 800 Nanometer dünne Diamantmembran auf einem planaren Spiegel, der sich nanometergenau unter einem zweiten Spiegel mit gekrümmten Vertiefungen, platzieren lässt. Bereits vor zehn Jahren war theoretisch beschrieben worden, dass die Platzierung der NV-Zentren in solch einem Resonator die Ausbeute der Photonen steigern müsste. Durch genaue Kontrolle des Abstandes der beiden Spiegel gelang es Daniel verschiedene NV-Zentren optimal an den Resonator zu koppeln. Er verstärkte damit die Emissionsrate der gewünschten Photonen, sodass diese nun fast fünfzig Prozent der Gesamtemission ausmachen.

Ein erfolgreiches Jahr
Für diese Veröffentlichung in Physical Review X hat Daniel Riedel im Juni 2018 im Rahmen der Swiss Nano Convention den vom Hightech Zentrum Aargau gesponserten PhD-Preis des Swiss Micro & Nanotechnology Networks verliehen bekommen. Für die gesamte Doktorarbeit wurde er bereits im März 2018 beim Quantum Futur Award des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) und des Zentrums für integrierte Quantenwissenschaft und -technologie IQST mit dem zweiten Platz in der Kategorie Dissertationsarbeiten ausgezeichnet. In seiner Heimatstadt Dinkelsbühl (Deutschland) wurde ihm kürzlich der Förderpreis der Willi-Dauberschmidt-Stiftung 2018 überreicht. Und ganz frisch ist ein Early Postdoc.Mobility Fellowship des Schweizerischen Nationalfonds, der ihm seinen nächsten Karriereschritt als Postdoktorand am California Institute of Technology in Pasadena (USA) ermöglichen wird.

Das SNI freut sich mit Daniel Riedel und gratuliert ganz herzlich zu diesen Erfolgen. Für ihn sind die Preise ein gelungener Abschluss seiner erfolgreichen und schönen Zeit als Doktorand am SNI. «Ich wurde von meinen beiden Betreuern Richard Warburton und Patrick Maletinsky hervorragend betreut und habe die enge Zusammenarbeit mit den beiden Forschungsgruppen sehr genossen. Zudem waren für mich die Workshops des Netzwerks des SNI und des NCCR QSIT echte Highlights, bei denen ich gelernt habe, über den Tellerrand meiner eigenen Forschung zu blicken.»