Diamant-Spitze für Rasterkraftmikroskope

Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institute und des Departement Physik der Universität Basel haben eine neue Methode vorgestellt, mit der sie zum ersten Mal bei Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts Magnet­felder auf der Nanometer­skala abbilden konnten. Sie nutzten dabei besondere Diamanten als Quanten­sensoren in einem neuartigen Mikroskop, um Bilder von Magnet­feldern in Supra­leitern in bisher unerreichter Auflösung zu generieren. Die Forscher können damit Messungen vornehmen, die neue Erkenntnisse in der Fest­körper­physik erlauben.

Die Gruppe von Georg-H. Endress-Professor Patrick Maletinsky erforscht bereits seit einigen Jahren sogenannte Stick­stoff-Vakanz­zentren (NV-Zentren) in Diamanten, um diese als hoch­präzise Sensoren einzusetzen. Die NV-Zentren sind natürliche Defekte im Kristall­gitter von Diamanten. Die darin enthaltenen Elektronen lassen sich anregen und manipulieren und reagieren empfindlich auf elektrische und magnetische Felder in ihrer Umgebung. Dabei ist es der Spin der Elektronen, der sich in Abhängigkeit der Umgebung verändert und mithilfe verschiedener Messmethoden erfassen lässt.

Maletinsky und seinem Team ist es gelungen, einzelne dieser NV-Spins an Spitzen von Raster­kraft­mikroskopen zu platzieren, um damit auf der Nanoskala Magnet­felder abzubilden. Bislang wurden solche Analysen bei Raumtemperatur durchgeführt. Zahlreiche Einsatz­gebiete verlangen jedoch Untersuchungs­temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts. So entfalten beispielsweise supra­leitende Materialien ihre besonderen Eigenschaften erst bei sehr tiefen Temperaturen um minus 200 Grad Celsius. Sie leiten dann elektrischen Strom ohne Verluste und können mit der Ausbildung von sogenannten Vortices exotische magnetische Eigenschaften entwickeln.

In der vorliegenden Arbeit haben die Wissenschaftler nun erstmals das neuartige Mikroskop unter kryogenen Bedingungen bei Temperaturen von etwa 4 Kelvin erfolgreich eingesetzt. Sie konnten magnetische Streufelder von Vortices in einem Hoch­temperatur-Supra­leiter mit einer bislang unerreichten Genauigkeit darstellen.

Die resultierende örtliche Auflösung von zehn Nanometern ist um ein bis zwei Größen­ordnungen besser als bei alternativen Methoden. Dies erlaubt erstmals eine genaue quantitative Analyse, beispielsweise eine eindeutige Bestimmung der magnetischen Eindringtiefe der supra­leitenden Probe – eine der fundamentalen Größen, die einen Supra­leiter charakterisieren.

„Unsere Resultate sind nicht nur für die Quanten­sensorik und die Supra­leitung von Relevanz”, kommentiert Patrick Maletinsky die Arbeit. „Auf lange Sicht werden sie auch Einfluss auf die Fest­körper­physik nehmen und mit einer weiteren Verbesserung der Sensitivität können sogar Anwendungen in der Biologie in den Fokus rücken.”

U. Basel / DE