24.04.2018

Quantensensorik mit Nanodiamanten

Dissipativer Quantensensor mit hoher Robustheit gegenüber unerwünschten Störungen.

Sowohl Energieverluste als auch Wechsel­wirkungen gelten in der Regel als unerwünschte Effekte, wenn es darum geht, einen guten Sensor zu konstruieren. Wenn man beides allerdings auf die richtige Art und Weise kombiniert, entsteht eine neue Art von Quanten­sensoren mit außer­gewöhnlichen Eigen­schaften. Das berichtet ein Wissenschaftler­team unter die Leitung von Hendrik Weimer vom Institut für theoretische Physik der Leibniz Universität Hannover.

Abb.: Vielteilchensystem aus Stickstoff-Atomen (blau), Fehlstellen (weiß) im Diamantgitter aus Kohlenstoffatomen (grau; Bild: M. Raghunandan et al.)

Die entscheidende Idee ist dabei, dass in der Nähe eines Phasen­übergangs wie dem Kochen von Wasser bereits kleine Änderungen große Aus­wirkungen haben können. Am Siede­punkt führt eine geringe Änderung der Temperatur zu einer großen Änderung der Dichte. „Dieses Konzept kann in die Welt der Quanten­physik übertragen werden, wenn man starke Wechsel­wirkungen und schnelle Dissipation kombiniert“, erläutert Weimer. Die Wechsel­wirkungen sorgen dabei für die Existenz des Phasen­übergangs, während die Dissipation dafür sorgt, dass das Quanten­system rasch in einen wohl­definierten Quanten­zustand zurückkehrt, was zu einem schnell arbeitenden Sensor führt.

Als konkreten Anwendungsfall betrachten die Forscher einen Magnetfeld-Sensor, basierend auf Stickstoff-Fehl­stellen-Zentren in Diamanten. Solche Defekte können durch magnetische Dipol­k­äfte mit­einander wechsel­wirken, während Einstrahlen von grünem Laser­licht zu einem dissipativen Prozess führt. Und in der Tat – eine kleine Änderung im zu messenden Magnet­feld führt zu einer großen Änderung in der Magnetisierung der Defekte. Dies lässt sich unmittelbar zum Bau eines Quanten­sensors verwenden.

Bemerkenswerterweise erweist sich dieser dissipative Sensor als sehr robust gegenüber unerwünschten Störungen wie der Dekohärenz des Quanten­zustands. Diese Ergebnisse sind besonders nützlich für auf Nano­diamanten basierende Sensoren, die zur Messung von Magnet­feldern in lebenden Zellen verwendet werden können. In diesem Bereich könnte der neue Quanten­sensor zu völlig neuen Diagnose­möglichkeiten in Medizin und Biologie führen.

U. Hannover / DE

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