Ein Quantensensor für die Welt der Atome

Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und des koreanischen IBS Center for Quantum Nanoscience QNS haben einen wissenschaftlichen Durchbruch erzielt: Gemeinsam haben sie einen Quantensensor entwickelt, der winzige magnetische Felder auf atomarer Skala vermessen kann. Die Forscher konnten so einen lang gehegten Traum der Wissenschaft erfüllen: ein MRT-ähnliches Werkzeug zur Untersuchung von Quantenmaterialien zu entwickeln.

Das Forschungsteam nutzte das Fachwissen der Jülicher Gruppe im Bereich der Fabrikation und Manipulation einzelner Moleküle sowie die Instrumente und das methodische Know-how des koreanischen Teams am QNS, um zu diesem Zweck den weltweit ersten Quantensensor für die Welt der Atome zu konstruieren.

Der Durchmesser eines Atoms ist eine Million Mal kleiner als ein menschliches Haar. Dies macht es extrem schwierig, physikalische Größen wie elektrische und magnetische Felder, die von einzelnen Atomen ausgehen, exakt zu vermessen. Nur wenn das Beobachtungswerkzeug äußerst empfindlich und selbst ähnlich klein ist wie ein Atom, kann es die schwachen Felder einzelner Atome auflösen.

Ein Quantensensor nutzt quantenmechanische Phänomene wie den Spin eines Elektrons oder die Verschränkung von Quantenzuständen, um präzise Messungen zu ermöglichen. In den letzten Jahren wurden verschiedene Arten dieser Sensoren entwickelt. Viele davon reagieren äußerst empfindlich auf elektrische und magnetische Felder. Bisher war man jedoch davon ausgegangen, dass die räumliche Auflösung nicht gleichzeitig bis auf die atomare Ebene erhöht werden kann.

Der neue Quantensensor macht das jedoch jetzt möglich durch Verwendung eines einzelnen Moleküls. Der Erfolg beruht auf einem konzeptionell neuen Ansatz. Denn die Funktion der meisten bekannten Sensoren geht auf Fehlstellen im Kristallgitter zurück. Die Defekte reagieren auf elektrische und magnetische Felder und entfalten ihre Eigenschaften nur dann, wenn sie tief in das Material eingebettet sind. Aus diesem Grund sind sie stets in einem gewissen Abstand zum vermessenden Objekt. So sind sie typischerweise zu weit entfernt, um ein Objekt von der Größe eines einzelnen Atoms zu erfassen.

Das deutsch-koreanische Forschungsteam wählte hingegen einen anderen Ansatz: Es entwickelte ein Instrument, das ein einzelnes Molekül an der Spitze eines Rastertunnelmikroskops als Sensor verwendet. Dieser neuartige Ansatz ermöglicht es, den Sensor bis auf wenige Atomabstände an Objekte heranzuführen und deren elektrische und magnetische Eigenschaften aufzuspüren.

„Dieser Quantensensor ist ein Wendepunkt, da er Bilder von Materialien liefert, die so detailreich sind wie ein MRT, und gleichzeitig einen neuen Standard für die räumliche Auflösung von Quantensensoren setzt. Das wird es uns ermöglichen, Materialien auf ihrer fundamentalsten Ebene zu erforschen und zu verstehen“, zeigt sich Taner Esat vom FZ Jülich begeistert über die potenziellen Anwendungen.

Der Sensor hat eine Energieauflösung, die es ermöglicht, Veränderungen in magnetischen und elektrischen Feldern mit einer räumlichen Auflösung im Bereich eines Zehntel Ångström zu erkennen, wobei 1 Ångström typischerweise einem Atomdurchmesser entspricht. Darüber hinaus kann der Quantensensor in bestehenden Laboren weltweit konstruiert und implementiert werden.

Der Quantensensor eröffnet so völlig neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Quantenmaterialien, die Entwicklung neuer Katalysatoren und die Erforschung des grundlegenden Quantenverhaltens molekularer Systeme, beispielsweise in der Biochemie. „Die Revolution des Instrumentariums zur Beobachtung und Untersuchung der Materie geht zurück auf die gesammelten Grundlagenwissenschaften“, betont Yujeong Bae, Leiterin des Projekts am QNS. Die Entwicklung des Quantensensors auf atomarer Ebene stellt einen bedeutenden Meilenstein auf dem Gebiet der Quantentechnologie dar und wird voraussichtlich weitreichende Auswirkungen auf verschiedene wissenschaftliche Disziplinen haben.

FZ Jülich / RK