„Hochkarätiger“ Sensor dank künstlicher Diamanten
Physiker entwickeln einen auf atomaren Defekten basierten Sensor, mit dem sich magnetische und elektrische Felder im Nanobereich messen lassen.
Die Energie des Spins eines Stickstoff-Fehlstellenzentrums ändert sich, sobald der Diamant in ein magnetisches Feld gerät. Diese Änderung des Energieniveaus kann mit optisch detektierter Mikrowellen-Spektroskopie einfach nachvollzogen werden. Spezielle Messprotokolle erlauben dann präzise Rückschlüsse auf die Stärke des Feldes. Diese Methode nutzen Wissenschaftler der Universitäten Ulm und Stuttgart sowie des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung (Stuttgart) und der australischen Macquarie University für einen empfindlichen Nanosensor, der magnetische und elektrische Felder misst.
Abb.: Stickstoff-Fehlstelle innerhalb des Diamantgitters: C, Kohlenstoff; N, Stickstoff; V, Fehlstelle. (Bild: G. Waldherr, Nat. Nanotechnol.)
„Im Gegensatz zu unserem neuen Sensor funktionieren bisherige vergleichbare Messmethoden oft nur bei Tiefsttemperaturen oder im Vakuum“, erklärt Fedor Jelezko. Das Diamantgitter wirke als Schutzhülle, weswegen der jüngst entwickelte Sensor auch bei Raumtemperatur präzise arbeite. Der Diamanten-Sensor ist extrem klein und erlaubt bei hoher Empfindlichkeit und Ortsauflösung ungeahnte Einsichten in die Nanowelt. So könnten zum Beispiel Kernspins in biologischen Molekülen erfasst werden. Schon jetzt hat lässt damit die Messgenauigkeit gegenüber bisherigen Methoden um ein Vielfaches erhöhen.
Während bisherige, mit millimetergroßen Diamanten durchgeführte Untersuchungen der Grundlagenforschung dienen, könnten kleinste Edelsteine schon bald die Rasterkraftmikroskopie (AFM) verbessern. Und zwar, indem wenige Nanometer große Diamanten an der Spitze des AFM-Hebels präzise Messungen und somit etwa Strukturanalysen einzelner Moleküle ermöglichen.
Die Wissenschaftler haben unter anderem einen Algorithmus entwickelt, mit dem die Eigenschaften eines solchen Sensors deutlich verbessert werden. Die Erkenntnisse ließen sich auf angrenzende Forschungsfelder übertragen zum Beispiel Bemühungen um einen extrem leistungsfähigen Quantencomputer, vermelden die Forscher.
Universität Ulm / PH
