Karriere in der Wissenschaft: Viviana Villafañe

Diamanten und Quanten

Viviana Villafañe arbeitet am Walter-Schottky-Institut am Lehrstuhl von Prof. Kai Müller and Prof. Jonathan Finley. Seit Kurzem ist sie dort TUM Junior Fellow mit einem eigenen Team, das sie wissenschaftlich betreut. Dass sie 2019 von ihrem Heimatland Argentinien aus nach München kam, hatte mehrere Gründe: „Ich habe mich für die TUM entschieden, weil mir hier Spitzenforschung im Bereich der Quantenphysik und gleichzeitig ein internationales, kollaboratives Umfeld geboten wird.“ Ihr Team ist gut vernetzt und kooperiert mit vielen unterschiedlichen Gruppen an der Universität und dem Exzellenzcluster „Munich Center for Quantum Science and Technology“ (MCQST).

Villafañe beschäftigt sich in ihrer Forschung mit dem Verhalten von Atomen und Elektronen in Diamanten. Diese bestehen normalerweise aus vielen Kohlenstoffatomen (C-Atome), die in einer festen Gitterstruktur angeordnet sind. Durch natürliche oder im Labor erzeugte Prozesse kann es in dieser festen Anordnung zu Abweichungen kommen. Dann liegen zum Beispiel statt Kohlenstoff-, Siliziumatome an bestimmten Positionen im Gitter vor. Tritt zusätzlich in ihrer Nachbarschaft eine Lücke auf, weil ein C-Atom fehlt, entstehen so genannte Farbzentren.

Diese Bereiche in Diamanten haben besondere quantenmechanische Eigenschaften: Wird ein solcher Diamant mit einem Laser bestrahlt, beginnt das Farbzentrum Licht in Form von einzelnen Lichtteilchen (Photonen) auszusenden – ein sehr seltenes Phänomen. Wenn anstelle eines Lasers Mikrowellenstrahlung eingesetzt wird, kann der Eigendrehimpuls (Spin) der Farbzentren durch die Wechselwirkung mit den Mikrowellen kontrolliert werden. Dies spielt eine wichtige Rolle bei der Nutzung dieses Systems in Quantencomputern, um Quanteninformationen zu erzeugen oder zu übertragen.

Viviana Villafañe nutzt diese Farbzentren, um zu untersuchen, wie sich Licht, Klang und der Spin der Elektronen auf der Quantenebene gegenseitig beeinflussen und Schwingungen im Kristallgitter verursachen. Diese Interaktionen sind sowohl für die Übertragung als auch für die Verschlüsselung und Speicherung von Quanteninformationen interessant. Die Erkenntnisse aus ihrer Forschung können die Basis eines künftigen Quanteninternets liefern – ein neues, extrem schnelles und sehr sicheres Datennetz.

Mit ihren Arbeiten möchte Villafañe auch andere Forschende – vor allem Frauen – dazu ermutigen, die Quantenwelt zu erforschen: „Ich möchte mehr junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dazu inspirieren, sich uns anzuschließen. Wir brauchen wirklich alle Denkweisen und Ideen, um diese Technologien zum Laufen zu bringen!“