Diamant-Stickstoff-induzierte TLS-Verluste werden mit supraleitenden Mikroresonatoren für Hochleistungsanwendungen geschätzt
Svenja Hering
Diamant-Stickstoff-induzierte TLS-Verluste werden mit supraleitenden Mikroresonatoren für Hochleistungsanwendungen geschätzt
Forschende haben eine neue Methode entwickelt, um winzige Energieverluste in Diamantkristallen mit extremer Präzision zu messen. Der Durchbruch stammt von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des japanischen Nationalen Instituts für Fortgeschrittene Industrielle Wissenschaft und Technologie (AIST). Ihr Verfahren könnte die Materialien für Quanten-Sensoren und Fusionsreaktoren deutlich verbessern.
Das Team konzentrierte sich auf hochreine Einkristall-Diamanten, die mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) gezüchtet wurden. Mit supraleitenden Dünnschicht-Mikrostreifenresonatoren maßen sie dielektrische Verluste bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. Dieser Ansatz ermöglichte es ihnen, außergewöhnlich hohe Gütefaktoren in ihren Messungen zu erreichen.
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Durch die Analyse, wie sich die Temperatur auf die Dielektrizitätskonstante des Materials auswirkt, quantifizierten sie die dielektrischen Verluste mit großer Genauigkeit. Die Studie zeigte zudem einen klaren Zusammenhang zwischen Stickstoffverunreinigungen in der Diamantstruktur und erhöhten Energieverlusten: Proben mit höherem Stickstoffgehalt wiesen deutlich größere dielektrische Verluste auf. Unter den getesteten Diamanten stach die Probe „J-Clone“ durch ihre minimalen Verluste hervor – mit einem tanδ₀-TLS-Wert von etwa 7,31×10⁻⁶, dem niedrigsten gemessenen Wert. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Kontrolle von Defektleveln während des Diamantwachstums zu leistungsfähigeren Materialien für Hochleistungsanwendungen führen könnte. Fortgeschrittene Züchtungs- und Bonding-Techniken könnten nun verfeinert werden, um Diamantsubstrate mit extrem geringen Verlusten für anspruchsvolle Technologien maßzuschneidern.
Die Forschung bietet eine präzise Methode zur Bewertung dielektrischer Verluste in Diamanten, die für Geräte der nächsten Generation entscheidend sind. Eine Optimierung der Züchtungsverfahren auf Basis dieser Erkenntnisse könnte die Leistung von Quanten-Sensoren, Fusionsreaktoren und anderen Hochleistungssystemen steigern. Die Arbeit des Teams eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Materialien mit ultrageringen Verlusten.
