Diamant als Sensor

Elektrisch Felder mit Fehlstelle in Diamant gemessen.

Die Quantenphysik wandelt sich dank eines immer umfassenderen Verständnisses und gut beherrschbarer Experimente zunehmend zum Forschungsfeld Quantentechnologie. Forscher können mittlerweile Materie maßschneidern und die Quantendynamik beeinflussen, was beispielsweise Anwendungsmöglichkeiten in der Sensorik eröffnet. Physikern der Universität Stuttgart ist es nun gelungen, mit einer einzelnen atomaren Fehlstelle in Diamant elektrische Felder zu messen. Damit können künftig die Struktur einer Substanz und deren chemische Reaktivität gleichzeitig bestimmt werden.

Der Sensor zur hochgenauen Messung kleiner elektrischer Felder basiert auf einem NV-Defektzentrum in Diamant, das aus einem Strickstoffatom (Nitrogen) und einer Leerstelle (Vacancy) besteht. Das Diamantgitter fixiert diese Fehlstelle und erlaubt es gleichzeitig, sie mit Hilfe eines Lasers zu adressieren. Die Wechselwirkung des Atoms mit dem zu messenden Feld kann aufgrund des Stark-Effekts mittels des von dem NV-Zentrum wieder ausgesendeten Lichts bestimmt werden.

Abb.: Links: Schematische Darstellung des konfokalen Aufbaus mit Helmholtzspulen zur Justage des magnetischen Felds und den Elektroden auf der Diamantprobe, mit denen das elektrische Feld erzeugt wird. Rechts: Unterschiedliche Spannungen führen aufgrund des Stark-Effekts zur Verschiebung von Resonanzlinien. (Bild: F. Dolde et al., Nature Physics)

Die Forscher waren in der Lage, elektrische Felder zu messen, die einem Bruchteil einer Elementarladung in einer Entfernung von 0,1 Mikrometern entsprechen. Da der Sensor selbst ungefähr die Abmessung von einem Atom besitzt, können elektrische Felder ebenfalls mit dieser räumlichen Präzision gemessen werden. Das optische Auslesen des Sensors erlaubt es, den Sensor in jeder beliebigen Geometrie anzubringen. Zudem erreicht das Verfahren bei Raumtemperatur und unter Umgebungsbedingungen seine Empfindlichkeit und Auflösung.

Mit demselben Verfahren konnten Wissenschaftler bereits vorher den Nachweis kleiner magnetischer Felder demonstrieren. Jetzt gelang es ihnen, am selben Ort das elektrische sowie magnetische Feld zu bestimmen, ohne den Sensor wechseln zu müssen. Diese Kombination eröffnet beispielsweise die Möglichkeiten, gleichzeitig die Verteilung von magnetischen Momenten der Kerne chemischer Verbindungen sowie die Ladungsverteilung von Elektronen in einzelnen Molekülen zu messen.

Universität Stuttgart / MH