Titelaufnahme

Titel
Ab initio calculation of the spin-lattice relaxation time T1 in the negatively charged nitrogen vacancy center in diamond / von Johannes Gugler
Weitere Titel
Ab initio Berechnungen der Spin-Gitter Relaxationszeit T1 in negativ geladenen Stickstoff-Fehlstellen Farbzentren in Diamant
Verfasser / Verfasserin Gugler, Johannes
GutachterMohn, Peter
ErschienenWien, 2019
Umfang140 Seiten
HochschulschriftTechnische Universität Wien, Dissertation, 2019
Anmerkung
Arbeit an der Bibliothek noch nicht eingelangt - Daten nicht geprueft
SpracheEnglisch
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Spin-Gitter Relaxation / Festkörperphysik / Computational Materials Science
Schlagwörter (EN)Spin-Lattice Relaxation / Solid State Physics / Computational Materials Science
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-121062 Persistent Identifier (URN)
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Ab initio calculation of the spin-lattice relaxation time T1 in the negatively charged nitrogen vacancy center in diamond [27.83 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Diese Doktorarbeit behandelt die ab initio Berechnung der Spin-Gitter Relaxationszeit T1 im negativ geladenen Stickstoff-Fehlstellen Zentrum (NV Zentrum) in Diamant. Spin-Gitter Relaxation ist der Vorgang durch den die Energie zwischen einem Spin-System und der Umgebung ausgetauscht wird. Im Fall eines Festkörpers tritt als stärkster Kopplungsmechanismus die Wechselwirkung zwischen dem Spin-System und den bewegten Ionen, welche das Gitter des Festkörpers aufbauen, auf. Die Eigenschaften des hier untersuchten NV Zentrums und die Anwendungen dieses Farbzentrums in der Messtechnik und Quantenmechanik werden in Kapitel 1 eingeführt und die Bedeutung dieser Arbeit wird motiviert. Das theoretische Fundament für die Behandlung eines allgemeinen quantenmechanischen Viel-Teilchen-Systems im Falle eines Festkörpers wird in Kapitel 2 gelegt: Ausgehend vom Hohenberg-Kohn Theorem wird die Dichtefunktionaltheorie und deren Anwendung im Kohn-Sham System eingeführt. Diverse Approximationen für die Beschreibung der Vielteilcheneffekte werden vorgestellt und hinsichtlich ihrer Genauigkeit und Rechenintensität analysiert. Um die Relaxationszeit auszurechnen, ist eine Modellierung der Bewegung der Ionen unabdingbar. Zu deren Zweck wird in Kapitel 3 eine quantenmechanische Beschreibung der Gitterschwingungen, Phononen genannt, in harmonischer Näherung gegeben. In Kapitel 4 wird die Historie der theoretischen Beschreibungen der Spin-Gitter-Relaxation präsentiert und es werden den historischen Beschreibungen folgend Ausdrücke für die Spin-Gitter-Relaxationszeit T1 abgeleitet. Dies geschieht ausgehend von zwei unterschiedlichen Kopplungsmechanismen: Der erste Mechanismus resultiert aus der Änderung der magnetischen Spin-Spin Wechselwirkung, welche durch Ionenbewegung induziert wird. Der zweite Mechanismus entsteht durch die induzierte Änderung der Spin-Bahn Wechselwirkung. Die Relaxationszeiten für den ersten Mechanismus werden in Kapitel 5 ab initio mithilfe von Computerprogrammen berechnet und ein theoretisches Verständnis der langen Relaxationszeiten für das ausgewählte Spin-System wird erlangt: Aufgrund der hohen Steifigkeit von Diamanten existieren wenige Gitterschwingungen, welche der niedrigen Übergangsfrequenz des Spin-Systems entsprechen. Wie weitere Simulationen zeigen, resultiert eine Beschädigung des Diamantgitters in niederfrequenteren Gitterschwingungen, was eine Verkürzung der Relaxationszeit nach sich zieht. Die berechneten Daten erlauben den Schluss, dass die langen Relaxationszeiten aus der Kopplung über die Spin-Spin Wechselwirkung resultieren. Abschließend werden in Kapitel 6 die wichtigsten Aussagen dieser Arbeit zusammengefasst und ein Ausblick auf mögliche zukünftige Forschungsarbeit geboten.

Zusammenfassung (Englisch)

This work is concerned with an ab initio calculation of the spin lattice relaxation time T1 of the negatively charged nitrogen vacancy center (NV center) in diamond. Spin lattice relaxation is the mechanism by which the energy between a spin system and its surrounding is transferred. In the case of a solid, the most important mechanism for spin coupling is given by the interaction of a spin system with the moving ions which constitute the lattice of the material. The NV center in diamond as the spin system of choice and its applications in measurement technology and quantum theory are introduced and the implications of this thesis are pointed out in Chapter 1. The theoretical foundations for the treatment of a quantum mechanical many body problem in a solid are laid in Chapter 2: Starting from the Hohenberg-Kohn theorem, the machinery of density functional theory for the Kohn-Sham system with its different levels of approximations for a treatment of the many body effects is presented. For the calculation of the relaxation time T1 , the dynamics of the ions have to be modeled: Chapter 3 is dedicated to the quantum mechanical calculation of the lattice dynamics in the harmonic approximation, where a proper description of phonons, the quantized vibrations in solids, is derived. In Chapter 4, electron spins and phonons are coupled. At the beginning of this Chapter, we will introduce the history of the treatment of spin-lattice relaxation. Subsequently, the expressions of relaxation rates via first and second order time dependent perturbation theory are deduced and two different mechanisms of spin-phonon coupling are considered: Coupling via the magnetic spin-spin interaction and coupling via the spin-orbit interaction. Expressions for the relaxation time T1 are given for both coupling cases. The relaxation rates are calculated ab initio in Chapter 5, where the electronic and ionic properties of the NV center are simulated and effects of the local vibrations are taken into account. The simulations show that the measured relaxation times may be explained by the changes of the spin-spin interaction, when the ions start to move. The excellent spin properties of the NV center are explained by the strong covalent bonds in diamond, which result in high frequency phonons, way above the spin transition frequency. Further simulations show that induced crystal damage alters the phononic properties of the system and reduces T1. Chapter 6 concludes and gives a small outlook for possible future investigations.

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