Neue Quanten-Professorin in Dresden
Exzellenzcluster ctd.qmat zielt auf Messung eines einzelnen magnetischen Moments.
Aparajita Singha ist Expertin für Magnetometrie und damit für hochempfindliche Techniken, die Magnetfelder ausmessen. So kann die Festkörperphysikerin die kleinsten magnetischen Signale in Quantenmaterialien identifizieren. Was sie dafür braucht, ist ein Diamant mit Fehlern. Solche atomaren Defekte von Diamanten (NV-Zentren) werden ebenfalls von der weltweiten Quanten-Industrie genutzt. Singhas Forschung schafft die Grundlage für zukünftige Quantentechnologien. Ihre Professur für „Nanoskalige Quantenmaterialien“ des Würzburg-Dresdner Exzellenzclusters ctd.qmat – Complexity, Topology and Dynamics in Quantum Matter ist jetzt an der TU Dresden gestartet.
Singha will das magnetische Moment eines einzelnen Atoms messen. Dafür braucht sie ein Magnetometer, eine Probe und einen speziellen Sensor. „Um die Information, die in einem Spin steckt, auslesen zu können, muss man ihn zunächst erst einmal messen“, erklärt Singha. „Meine Leidenschaft für Quantensensoren begann, als ich mich fragte, ob ich den kleinsten Magneten der Welt wirklich ausmessen kann.“ Das war vor fünf Jahren, als Singha von Südkorea nach Stuttgart wechselte. Als Professorin in Dresden hat sie Großes vor: „In den nächsten fünf Jahren möchte ich gemeinsam mit meinem Team den kleinsten Magneten der Welt messen – und zwar bei Raumtemperatur. Das hat bisher noch niemand geschafft.“
Kern von Singhas Messtechnologie ist ein Diamant, den sie als Quantensensor nutzt: „Kein Diamant ist perfekt. Die natürlichen Diamanten funkeln sogar schöner, je mehr Fehler sie in ihrer chemischen Struktur haben. Diese Fehler nutzen wir als Werkzeug für unsere Forschung.“ Dafür werden im Labor genau zwei Fehler in einen synthetischen Diamanten geschleust: Zunächst entfernt man zwei Kohlenstoffatome aus dem Diamant-Gitter. Anschließend wird eine Fehlstelle mit einem Stickstoffatom besetzt, die andere bleibt leer. Diese beiden Fehlstellen bilden zusammen das NV-Zentrum (nitrogen-vacancy center) bzw. Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum, das als Sensor fungiert. „Je nachdem, welches Licht unser Diamantsensor emittiert, wissen wir, wie stark die magnetischen Momente unseres Quantenmaterials sind“, so Singha.
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Noch braucht Singha tiefe Temperaturen, um ein einzelnes magnetisches Moment zu messen. Das soll sich in den nächsten Jahren ändern. Dann sollen diese Messungen bei Raumtemperatur möglich sein. Hierfür muss Singha ihre Technologie weiterentwickeln, sowohl die Oberfläche des Diamanten, also des Sensors, wie auch das Materialsystem selbst. „Das muss in absolut reiner Umgebung stattfinden, rein wie der Weltraum“, beschreibt sie. „Nur im Ultrahochvakuum kann diese Präzision erreicht werden.“
Üblicherweise werden Quantenmaterialien unter extremen Laborbedingungen untersucht – ultratiefe Temperaturen, enormer Druck, superstarke Magnete. Singhas Methode ist die einzige Technologie, die auch bei Raumtemperatur funktionieren kann: „Aktuell messen wir die Magnetfelder einzelner Atome noch bei 4 Kelvin, schaffen bei Raumtemperatur aber schon hundert Atome. Unser Ziel ist die Einzelspin-Detektion. Danach richten wir unsere Forschung aus und entwicklen neue Diamanten.“
Singha hat in Kalkutta und Mumbai Physik studiert und in der Schweiz promoviert. Als Postdoc war sie sowohl in der Schweiz als auch in Südkorea tätig. 2020 ist sie an das Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart gewechselt. Dort begann sie, mit NV-Zentren in Diamanten zu arbeiten. Seit 2022 leitet Singha eine Emmy-Noether-Gruppe, die Quantensensoren erforscht. Als Professorin für Nanoskalige Quantenmaterialien in Dresden stärkt sie die dortige Quantenexpertise, die über das Exzellenzcluster ctd.qmat erfolgreich mit der Julius-Maximilians-Universität Würzburg verbunden ist. An ihrer Professur arbeiten zwei Postdocs, sechs Doktorand:innen und ein Techniker. [TU Dresden / dre]
