04.11.2019

Sensoren aus roten Diamanten

Gezielte Synthese von Fehlstellen im Diamantgitter für Quantensensoren.

Physikern der Universität Leipzig ist ein wichtiger Schritt bei der Nutzung der Quanten­technologie für Computer und Sensoren gelungen. Grundlage der Experimente von Jan Meijer vom Felix-Bloch-Institut für Festkörper­physik und seiner Arbeits­gruppe sind Farbzentren, die einen Diamanten rot färben. Die besonderen Eigenschaften dieser Zentren wurden bereits im Jahr 2000 von Forschern der Universität Stuttgart entdeckt, aber erst jetzt ist es gelungen, diese Zentren mit fast hundert­prozentiger Sicherheit gezielt künstlich herzustellen. Erst diese hohe Ausbeute ermöglicht es, ohne den bisher nötigen großen Aufwand Quanten­systeme und in Zukunft Quanten­computer herzustellen.

Abb.: Im Experiment werden die Saiten einer Gitarre mit einem roten Diamanten...
Abb.: Im Experiment werden die Saiten einer Gitarre mit einem roten Diamanten zum Klingen gebracht. (Bild: S. Reichhold, U. Leipzig)

Die Physiker stellten in Zusammenarbeit mit Bernd Abel vom Leibniz-Institut für Oberflächen­modifizierung die besonderen „roten“ Diamanten selbst her – in einer weltweit einmaligen Anlage zur Ionen­implantation und Elektronen­bestrahlung. In dem Produktions­prozess wird ein Stickstoffatom mit hoher Geschwindigkeit in das Gitter eines Rohdiamanten geschossen. Im Ergebnis entsteht der spezielle Diamant, der eine hohe Dichte der NV-Zentren hat. Das sind Diamantgitter­fehler aus einer Kombination eines Stickstoff­atoms mit einer Fehlstelle, die dem Diamanten besondere Eigenschaften verleihen, unter anderem die rote Färbung. Wird er bei Zimmertemperatur mit grünem Licht bestrahlt, werden die NV-Zentren auf minus 273 Grad Celsius lokal gekühlt, obwohl sie sich mitten in dem Diamant­kristall befinden, der weiterhin Raum­temperatur hat

„Dadurch kann man Quantensysteme bei Raum­temperatur bearbeiten. Bisher ging das nur im Labor bei sehr tiefen Temperaturen in Kryostaten. Das bedeutet, man kann einen Quantencomputer oder einen Quantensensor für den Alltags­gebrauch herstellen“, erklärt Meijer. In einem anschaulichen Experiment nutzten die Forscher einen roten Diamanten als extrem empfind­lichen Magnetsensor, um eine E-Gitarre zum Klingen zu bringen. Hierbei wird die Position der einzelnen Saiten mit sehr hoher Geschwin­digkeit und Auflösung abgetastet und danach der Ton errechnet.

In einem so einfachen und damit kostengünstig produzierbaren Aufbau konnte dieser Effekt bisher nicht gezeigt werden. Hierbei sind im Gegensatz zu anderen Techniken weder aufwendig erzeugte Mikrowellen, noch präzise ausgerichtete hochreine Kristalle notwendig, sondern einfache, preisgünstige speziell behandelte Industrie­diamanten für Bohrer oder sogar nur profanes Diamantpulver, das normaler­weise nur für Schleifpapier genutzt wird. „Es ist erstaunlich, dass ein so komplexer physikalischer, hoch­sensitiver Effekt in einem so einfachen und robusten Aufbau möglich wird“, sagt der Physiker.

Der hochempfindliche Magnetfeld­quantensensor ist im Gegensatz zu allen bisherigen Quanten­sensoren mit gängigen automatischen Bestückungs­anlagen für gedruckte Schaltungen in hohen Stückzahlen zu verarbeiten und bei Raumtemperatur einsatzfähig. „Bislang wurden die quanten­mechanischen Eigenschaften nur im Labor eingesetzt. Wir wollen sie jetzt unter anderem für Sensoren in der Medizintechnik, in der Radar­technologie oder zur Messung von Positionierungen und Längen in Maschinen nutzen. Dabei wirkt bereits der Diamant wegen seines dichten Gitters wie eine Thermoskanne. Ein scheinbar paradoxes Verhalten, weil die Wärmeleit­fähigkeit eines Diamanten zehnmal größer ist als von Kupfer. Nur so lassen sich diese Quanten­effekte auch in natürlichen Umgebungen und bei Raum­temperatur beobachten und gezielt steuern“, erläutert Meijer.

U. Leipzig / JOL

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