Farbzentren in Diamanten als Gyroskope

Gyroskope – also Rotations­sensoren – sind unter anderem wichtig für die Navigation. So detektiert beispiels­weise beim Autopiloten im Flugzeug ein Gyroskop die drei verschiedenen Rotations­arten, die das Flugzeug ausführen kann: Es kann rollen, also einen Flügel nach unten und den anderen nach oben drehen, die Nase nach oben beziehungs­weise unten ziehen oder sich relativ zum Erdboden drehen. Wichtig sind Gyroskope auch in Fahrzeugen am Boden, etwa in autonom fahrenden Autos. Die Arbeits­gruppe um Dmitry Budker an der Uni Mainz publizierte bereits 2012 die Idee, Farb­zentren in Diamanten als Gyroskope zu nutzen. Jetzt konnten die Forscher in inter­natio­naler Zusammen­arbeit den praktischen Nachweis dafür erbringen.

„Wir und andere Gruppen nutzen diese Farb­zentren bereits seit einigen Jahren zur Messung von Magnet­feldern“, erläutert Budker. „Die Messung von Rotationen funktioniert prinzipiell auch wie bei einem Magneto­meter, aller­dings ergeben sich dabei einige Heraus­forderungen.“ So muss der Sensor schwankende magnetische Felder ignorieren, um die Rotationen messen zu können. Diesem Problem konnten Budker und sein Team jedoch beikommen. Einerseits nutzen sie für die Gyro­skopie statt der Elektronen­spins die Kernspins, die ein wesentlich kleineres magnetisches Moment und deshalb eine geringere Sensitivität für Magnet­felder besitzen.

Andererseits konnten die Wissen­schaftler externe Magnet­felder weit­gehend abschirmen und trotzdem intern ein sehr stabiles Bias-Magnetfeld zur Erzeugung des Mess­effekts aufrecht­erhalten, das auch kaum auf Temperatur­schwankungen reagiert. Sollten schwankende Magnet­felder im Außenraum auftreten, sehen die Farb­zentren diese nicht. Fragestellungen und Heraus­forderungen rund um dieses Magnet­feld widmete sich Peter Blümler an der Uni Mainz. Die Experimente und der erste Nachweis gelangen Andrey Jarmola und Sean Lourette, an der University of California in Berkeley.

Somit konnten die Forscher ihre Idee aus dem Jahre 2012 realisieren und erstmalig Farb­zentren von Diamanten als Gyroskop nutzen. Und sie erarbeiteten einen technischen Weg, um dies zu realisieren. Bis in die all­tägliche Anwendung sind allerdings noch weitere Heraus­forderungen zu meistern.

JGU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. Jarmola et al.: Demonstration of diamond nuclear spin gyroscope, Sci. Adv. 7, eabl3840 (2021); DOI: 10.1126/sciadv.abl3840
• Budker Lab, Quanten-, Atom- und Neutronenphysik, Institut für Physik, Johannes-Gutenberg-Universität Mainz
• Department of Physics, University of California, Berkeley, USA

Weitere Beiträge

• Abbildung magnetischer Wirbelstrukturen auf der Nanoskala (pro-physik.de Nachrichten, 9. März 2021)
• J. N. Becker und Ch. Becher, Ein Netzwerk aus Diamanten, Februar 2017, S. 18 PDF