Quantensensor zeigt Magnetfelder, die bisher niemand sehen konnte
Neue Quantensensor-Technologie nutzt verschränkte Diamant-Defekte, um unsichtbare magnetische Phänomene in Supraleitern und Graphen zu messen.
Quantensensor auf Diamantbasis enthüllt Magnetfelder in Quantenmaterialien, die bisher ungesehen blieben. 40-mal höhere Empfindlichkeit.
Foto: David Kelly Crow
Forschende der Princeton University haben einen extrem empfindlichen Quantensensor auf Basis eines künstlichen Diamanten entwickelt. Durch die Nutzung von zwei quantenverschränkten Defekten im Diamanten ist der Sensor etwa 40-mal empfindlicher als seine Vorgänger. Er macht winzige Magnetfelder und deren Schwankungen in Materialien auf Nanoskala sichtbar, was für die Erforschung von Hightech-Stoffen wie Supraleitern und Graphen eine neue Ära einleitet.
Inhaltsverzeichnis
Neue Informationen über magnetische Phänomene
Wenn wir in die allerkleinste Welt hineinblicken – in Bereiche, die winziger sind als eine einzige Lichtwelle – dann gelten die Regeln, die wir aus dem Alltag kennen, nicht mehr. Hier springt elektrischer Strom plötzlich von einem Atom zum nächsten. Magnetfelder winden sich auf eine Art und Weise durch das Material, die uns völlig fremd erscheint. Bis jetzt konnten Wissenschaftler diese faszinierenden Vorgänge nur theoretisch erahnen oder indirekt messen.
Das hat sich nun geändert. Ein Team der Princeton University hat einen Quantensensor entwickelt, der wie ein Super-Detektiv in diese Mini-Welt blickt. Er basiert auf einem Diamanten und liefert brandneue Informationen über die magnetischen Phänomene in diesem winzigen Maßstab. Die Technik ist so präzise, dass sie Schwankungen aufdeckt, die alle bisherigen Messgeräte übersehen mussten. Das ist ein großer Gewinn für die Materialforschung.
Diese Erkenntnisse sind vor allem für Materialien wichtig, die unsere Zukunft prägen könnten. Dazu gehören Supraleiter. Das sind Stoffe, die Strom ohne jeglichen Verlust leiten. Schon heute ermöglichen sie lebensrettende Techniken wie die Kernspintomographie (MRT) im Krankenhaus. Sie könnten bald die Basis für verlustfreie Stromnetze und die legendären Magnetschwebebahnen sein.
40-mal empfindlicher als bisherige Technik
Die Idee, Diamanten als hochempfindliche Sensoren zu nutzen, ist nicht ganz neu. Seit etwa fünf Jahren wird daran geforscht. Doch die Forschenden aus Princeton haben die Methode nun auf ein neues Level gehoben. In einem kürzlich veröffentlichten Bericht im renommierten Fachmagazin Nature enthüllte das Team, dass ihr neuer Sensor etwa 40-mal empfindlicher ist als alle vergleichbaren Techniken.
Nathalie de Leon, Professorin für Elektrotechnik und Informationstechnik und Hauptautorin der Studie, erklärte, die neue Technologie gebe Forschenden die Chance, die Struktur „sehr kleiner Magnetfelder und sehr kleiner Längenskalen” direkt zu beobachten. Dadurch sind völlig neue Messungen möglich. Das Wichtigste: Es werden magnetische Schwankungen sichtbar, die bisher einfach im statistischen Rauschen der Messdaten verborgen blieben.
De Leon zeigte sich begeistert von den Möglichkeiten: „Man hat hier einen völlig neuen Spielplatz”, sagte sie. Sie ergänzte: „Mit traditionellen Techniken kann man diese Dinge einfach nicht sehen.”
Defekte im Diamanten als Quantensensor
Wie funktioniert dieser Super-Sensor? Das Geheimnis liegt in künstlich erzeugten Fehlstellen nahe der Oberfläche eines im Labor gezüchteten Diamanten. Diese Diamanten sind extrem rein und ähneln in der Größe einem Körnchen Meersalz.
Die entscheidenden Defekte sind winzig: Es ist lediglich ein fehlendes Atom im riesigen Gitter des Diamanten. Genauer gesagt spricht man von Stickstoff-Vakanzzentren (NV-Zentren). Diese Lücken sind aber perfekt geeignet, um Magnetfelder zu „fühlen“ und darauf zu reagieren. Man kann sie im Labor exakt dort platzieren, wo man sie braucht.
Quantenverschränkung enthüllt Signale im Rauschen
Normalerweise werden diese NV-Zentren als einzelne Messpunkte genutzt. Das Princeton-Team ging einen Schritt weiter: Sie implantierten zwei dieser Defekte extrem nah beieinander. Dadurch konnten die beiden atomaren Lücken auf eine besondere Weise zusammenarbeiten – sie wurden quantenverschränkt.
Quantenverschränkung ist ein Phänomen, das so seltsam ist, dass selbst Albert Einstein es als „spukhafte Fernwirkung” bezeichnete. Wenn zwei Teilchen verschränkt sind, dann agieren sie synchron, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Im Fall des Sensors bedeutet das: Eine Messung an dem einen Defekt liefert sofort eine perfekt korrelierte Information über den Zustand des anderen.
Der Clou: Weil die beiden verschränkten Sensoren an leicht unterschiedlichen Orten messen, können sie störende magnetische Schwankungen „triangulieren”. Das heißt, sie können die Quelle der Störung präzise lokalisieren und vom eigentlichen Messsignal trennen.
Ganz neue Art, Quantensensoren zu betreiben
Philip Kim, ein Experimentalphysiker aus Harvard, der nicht an der Studie beteiligt war, hob die Bedeutung hervor: „Das ist eine ganz neue Art, diesen Quantensensor zu betreiben, die es uns ermöglicht, etwas zu untersuchen, was bisher nicht möglich war“, sagte er. Kim betont, dass die neue Technik es Forschenden nun erlaubt, echte Materialien direkt zu untersuchen, im Gegensatz zu komplizierten, künstlichen Atom-Anordnungen. „Darin liegt ihre Bedeutung.“
Kim arbeitet nun selbst mit dem neuen Sensor, um Graphen und Supraleiter zu untersuchen. Graphen ist ein Material, das fantastische Anwendungsmöglichkeiten verspricht, sich aber als schwierig in der großtechnischen Herstellung erwiesen hat.
Ein Beitrag von:
