Ziel dieses Projektes ist es, einzelne Atome mit hoher Genauigkeit in Festkörper zu implantieren [1], um einerseits Systeme für die Quanteninformationsverarbeitung zu realisieren [2] und andererseits die Qualität mikroelektronischer Halbleiterbauelemente [3] zu erhöhen. 

Die Ionen werden zunächst in einer segmentierten linearen Paulfalle gefangen. Die optische Detektion der Ca+ Ionen erfolgt mittels einer EMCCD-Kamera. Durch Photoionisation können auch Dotierungsionen, zB. N+, Cr+, Ni+, P+ geladen werden. Laserkühlen der Ca+ Ionen reduziert die Temperatur der Quelle auf typ. 1mK, bis herab in den Grundzustand der Bewegung . Anschließend werden die vorgewählte Anzahl und Sorte Ionen aus der Falle extrahiert und können durch eine Ionenstrahloptik auf wenige nm fokussiert werden.  Die Stärke unseres Ansatzes liegt in der hohen örtlichen und energetischen Auflösung, welche durch die niedrige Temperatur der lasergekühlten Ionen in der Falle möglich wird. Der Hauptvorteil besteht jedoch darin, dass in einer Paul-Falle praktisch alle Elemente gefangen werden können, was sie zu einer universellen deterministischen Einzelionenquelle macht.

Derzeit können wir einzelne Kalzium Ionen in der Falle fangen, extrahieren und mit einer Erfolgsquote von über 90% auf einen 25cm entfernten Detektor schießen [5]. Die Streuung der kinetischen Energie der Ionen liegt dabei unter 0.1%. Die Bilder zeige die verwendete Ionenfalle und eine Detailansicht ihrer Elektrodenstruktur. Kürzlich ist es gelungen, Ionen durch eine Nanoapertur zu schießen [4], welche wir zusammen mit einer Ionenoptik in Zukunft in unseren Aufbau integrieren wollen.

[1] J. Meijer, et al., "Concept of deterministic single ion doping with sub-nm spatial resolution, Appl. Phys. A 83, 321(2006).

[2] L. Childress,et al., Coherent Dynamics of Coupled Electron and Nuclear Spin Qubits in Diamond; Science 314 (5797), 281 (2006).

[3] T. Shinada et. al., Nature 437, 1128 (2005)

[4] J. Meijer,et al., "Towards the implanting of ions and nanoparticles with nm spatial resolution", Appl. Phys. A 91, 567–571 (2008).

[5] W. Schnitzler, et al., "Deterministic Ultracold Ion Source targeting the Heisenberg Limit", PRL 102, 070501 (2009).

Wir arbeiten mit den Gruppen Wrachtrup, Pfau (Uni Stuttgart) und Meijer (Uni Bochum) zusammen um zB. Farbzentren in Diamant für QIPC zu erzeugen. Die Arbeiten werden von der Landesstiftung Baden-Württemberg im Netzwerk "atomics" unterstützt.