Quantenforschung: Wenn einzelne Atome messbar werden

In der Festkörperphysik gilt die Messung einzelner magnetischer Momente als eine der anspruchsvollsten experimentellen Herausforderungen. Denn was hier detektiert werden soll, liegt an der Grenze dessen, was physikalisch überhaupt noch als Signal von Rauschen zu unterscheiden ist. Das magnetische Moment eines einzelnen Elektronenspins.

Mit dem Start der Professur „Nanoskalige Quantenmaterialien“ an der Technischen Universität Dresden rückt genau dieser Grenzbereich nun stärker in den Fokus der deutschen Quantenforschung. Die Professur ist Teil des Exzellenzclusters ctd.qmat und widmet sich einer wichtigen Frage: Wie lassen sich quantenmechanische Eigenschaften von Materialien nicht nur theoretisch beschreiben, sondern experimentell präzise erfassen?

Quantenforschung wandelt sich

Dabei zeigt sich, wie sich die moderne Quantenforschung wandelt. Während klassische Materialforschung oft mit großen Ensembles von Teilchen arbeitet und deren kollektives Verhalten untersucht, zielt die neue Forschungslinie auf das einzelne quantenmechanische Objekt.

Spins – die quantisierten magnetischen Momente von Elektronen – sind dabei besonders interessant, weil sie sowohl fundamentale Informationsträger der Materie als auch potenzielle Bausteine künftiger Quantentechnologien sind. Ihre gezielte Messung erlaubt Einblicke in mikroskopische Wechselwirkungen, die in makroskopischen Experimenten oft verborgen bleiben.

Physikerin übernimmt neue Professur: Das ist ihr Ansatz zur Quantenforschung

Die Physikerin Aparajita Singha hat die neue Professur übernommen. Sie arbeitet an genau solchen Messverfahren. Ihr Forschungsansatz basiert auf der Annahme, dass sich die Eigenschaften komplexer Quantenmaterialien nur dann vollständig verstehen lassen, wenn ihre elementaren Freiheitsgrade direkt adressiert werden können.

Dazu gehört insbesondere die Fähigkeit, magnetische Signale einzelner Atome räumlich aufzulösen und zeitlich zu verfolgen. Dass diese Fragestellung heute überhaupt experimentell bearbeitet werden kann, ist das Ergebnis technischer Entwicklungen der vergangenen zwei Jahrzehnte. Hierbei hat sich  Quantensensorik als eigenständiges Forschungsfeld etabliert.

Quantensensorik mit Diamanten – Möglichkeiten und Grenzen

Kernstück der verwendeten Messtechnik sind sogenannte NV-Zentren in Diamanten. Dabei handelt es sich um gezielt erzeugte Defekte im Diamantgitter. Hierbei bilden  ein Stickstoffatom und eine benachbarte Fehlstelle zusammen ein quantenmechanisch aktives System. Diese Defekte reagieren empfindlich auf magnetische Felder in ihrer unmittelbaren Umgebung und lassen sich optisch auslesen. Auf diese Weise fungieren sie als Sensoren, die selbst extrem schwache Magnetfelder erfassen können – theoretisch bis hinunter zur Ebene einzelner Spins.

In der Praxis ist diese Sensitivität jedoch an enge experimentelle Bedingungen geknüpft. Um das magnetische Moment eines einzelnen Atoms eindeutig zu messen, müssen thermische Störungen weitgehend unterdrückt werden. Derzeit geschieht dies durch Kühlung auf 4 K – also knapp über dem absoluten Nullpunkt. Das entspricht einer Temperatur von -269,15 °C. Unter diesen Bedingungen lassen sich quantenmechanische Zustände stabilisieren, die bei höheren Temperaturen rasch durch Wechselwirkungen mit der Umgebung zerstört würden. Die Messung einzelner Spins ist damit möglich, bleibt aber auf hochspezialisierte Laborumgebungen beschränkt.

Einzelspin-Signale bei Raumtemperatur detektieren

Ein zentrales Ziel der aktuellen Forschung besteht darin, diese Einschränkung zu überwinden. Die Vision, magnetische Einzelspin-Signale auch bei Raumtemperatur detektieren zu können, wird in der Fachwelt seit Jahren diskutiert. Sie gilt als Voraussetzung dafür, Quantensensoren außerhalb reiner Grundlagenlabore einzusetzen. Gleichzeitig ist klar, dass dieser Schritt mit erheblichen physikalischen und technischen Hürden verbunden ist. Rauscheffekte, Materialdefekte, Oberflächenwechselwirkungen und die begrenzte Kohärenzzeit quantenmechanischer Zustände setzen der Messgenauigkeit enge Grenzen.