Aus Staub wird Licht: Erstaunliche Geburt der Quantendiamanten
Neues Verfahren beschleunigt die Herstellung von Quanten-Nanodiamanten um das 1000-fache – Diamantstaub, Salz und Hochdruck sind nötig.
Die Apparatur, in der die lumineszierenden Nanodiamanten hergestellt wurden. Und das wesentlich schneller als bei bisherigen Verfahren.
Foto: IOCB Prague
Forschende aus Prag haben ein Verfahren entwickelt, mit dem Nanodiamanten mit Quantenzentren in nur vier Minuten hergestellt werden können. Das sogenannte PTQ-Verfahren ist rund 1000-mal schneller als bisherige Methoden und ermöglicht eine Produktion im Kilogramm-Maßstab. Diese winzigen Diamanten könnten künftig in Medizin, Sensorik und Quantenkommunikation eingesetzt werden.
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Diamanten aus der Hochdruckküche
Was passiert, wenn man Diamantstaub, Salz und extreme Bedingungen in einen Topf wirft? Kein Rezept aus der Molekularküche – sondern ein neues Verfahren aus der Quantenforschung. Ein internationales Team um Dr. Petr Cígler vom Institut für Organische Chemie und Biochemie (IOCB) in Prag hat eine Methode entwickelt, mit der sich Nanodiamanten in Rekordzeit herstellen lassen. Und das Beste: Sie leuchten – im wahrsten Sinne des Wortes.
Die Forschenden nennen ihr Verfahren Pressure and Temperature Qubits, kurz PTQ. In nur vier Minuten entstehen dabei winzige Diamanten mit besonderen Eigenschaften. Sie besitzen sogenannte Quantenzentren, die Licht aussenden und für die Forschung und Sensorik besonders interessant sind.
Vom Wochenprojekt zur Minutenproduktion
Bislang war die Herstellung solcher Nanodiamanten eher etwas für Geduldige. Normalerweise wird Diamantpulver zwei Wochen lang mit einem Strahl geladener Teilchen beschossen und anschließend bei hohen Temperaturen geglüht. Das Ergebnis: weniger als ein Gramm brauchbares Material.
„Wir haben die Bildung von Quantenzentren in Nanodiamanten im Vergleich zum Standardverfahren um mehr als das Tausendfache beschleunigt“, erklärt Dr. Michal Gulka, Postdoktorand im Team von Cígler. „Jetzt können wir Kilogramm davon produzieren.“
Wie funktioniert das?
Hier das Rezept für die Diamantenproduktion: Das Diamantpulver kommt in eine Hochdruckpresse, die Bedingungen wie im Erdinneren erzeugt. Enorme Drücke und Temperaturen lassen im Inneren des Materials spezielle Defekte entstehen – winzige „Fehlstellen“, die für die Quantenwirkung entscheidend sind.
Damit die Partikel bei dieser Hitze nicht zu einem Klumpen verschmelzen, geben die Forschenden ganz gewöhnliches Kochsalz hinzu. Es schmilzt, umhüllt die Partikel und schützt sie. Nach dem Abkühlen wird das Salz einfach mit Wasser ausgewaschen. Übrig bleibt ein reines, lumineszierendes Pulver.
Was steckt hinter diesen Quantenzentren?
Nanodiamanten sind winzige Teilchen – kleiner als ein Virus. Im Inneren können sie sogenannte NV-Zentren enthalten. NV steht für Nitrogen-Vacancy, also Stickstoff-Leerstelle. Dabei sitzt ein Stickstoffatom neben einer fehlenden Kohlenstoffstelle im Diamantgitter. Diese Mini-Defekte wirken wie kleine Antennen für Licht und Magnetfelder.
Wenn Licht auf ein solches Zentrum trifft, sendet es selbst wieder Licht aus – und zwar abhängig von seiner Umgebung. Dadurch lassen sich mit Nanodiamanten winzige Veränderungen von Magnetfeldern, elektrischen Ladungen oder sogar Temperaturen messen. So können sie etwa die Temperatur im Inneren von Zellen anzeigen oder einzelne Moleküle aufspüren.
Quantentechnologie zum Anfassen
Das neue PTQ-Verfahren ist nicht nur schneller, sondern liefert auch qualitativ hochwertigeres Material. Die Nanodiamanten zeigen laut den Forschenden verbesserte optische und quantenphysikalische Eigenschaften. Das bedeutet: stabilere Signale, längere Lebensdauer der NV-Zentren und bessere Kontrolle über ihre Lichtemission.
Für die Quantentechnologie ist das ein großer Schritt – auch wenn Cígler und sein Team lieber von einem „praktischen Fortschritt“ sprechen. Denn bis jetzt war die Herstellung dieser winzigen Sensoren teuer und langsam. Mit PTQ könnte das bald anders aussehen.
Das amerikanische Unternehmen MegaDiamond arbeitet bereits mit den Forschenden zusammen. Ziel ist es, die Produktion der Nanosensoren zu skalieren. „Dank der neuen Methode können Labore und Unternehmen auf der ganzen Welt große Mengen hochwertiger Nanodiamanten mit NV-Zentren erhalten“, sagt Dr. Petr Cígler. „Das öffnet die Tür zu neuen Technologien – von Präzisionssensoren für die medizinische Diagnostik bis hin zu Moleküldetektoren, die auf Magnetresonanz basieren.“
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