Leistungsfähigen Nano-Sensor für Magnetfeld

19. Dezember 2011, Nr. 135

„Hochkarätige“ Messergebnisse dank künstlicher Diamanten

Wissenschaftler um den Leibniz-Preisträger Prof. Jörg Wrachtrup (Universität Stuttgart) und sowie den Ulmer Physiker Prof. Fedor Jelezko haben einen „hochkarätigen“ Sensor entwickelt, mit dem sich magnetische und elektrische Felder im Nanobereich besonders genau messen lassen. Dazu nutzen die Forscher atomare Defekte in extrem reinen, künstlich hergestellten Diamanten. Die Energie des „ Spins“ eines so genannten Stickstoff-Fehlstellenzentrums ändert sich nämlich, 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. Ihre Erkenntnisse haben die Wissenschaftler der Universitäten Ulm und Stuttgart sowie des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung (Stuttgart) und der australischen Macquarie University jetzt vorab auf der Webseite der renommierten Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ veröffentlicht.*)

Im Gegensatz zu unserem neuen Sensor funktionieren bisherige vergleichbare Messmethoden oft nur bei Tiefsttemperaturen oder im Vakuum. Das Diamantgitter wirkt als Schutzhülle, weswegen der jüngst entwickelte Sensor auch bei Raumtemperatur präzise arbeitet. Ein weiterer Vorteil der Neuentwicklung: 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 sich die Messgenauigkeit gegenüber bisherigen Methoden um ein Vielfaches erhöht: „Aufgrund der Heisenbergschen Unschärferelation haben wir jetzt die Grenze der Genauigkeit erreicht“, so die Wissenschaftler.

Während bisherige, mit millimetergroßen Diamanten durchgeführte Untersuchungen der Grundlagenforschung dienen, könnten kleinste Edelsteine schon bald die Atomkraftmikroskopie (AFM) verbessern. Und zwar, indem wenige Nanometer große Diamanten an der Spitze des AFM-Hebels präzise Messungen und somit etwa Strukturanalysen einzelner Moleküle ermöglichen.

Im Rahmen des Kooperationsprojekts haben die Wissenschaftler unter anderem einen Algorithmus entwickelt, mit dem die Eigenschaften eines solchen Sensors deutlich verbessert werden. Diese und andere Erkenntnisse lassen sich auf angrenzende Forschungsfelder übertragen. Profitieren dürften zum Beispiel die Bemühungen um einen extrem leistungsfähigen Quantencomputer.

*) Gerald Waldherr, J. Beck, P. Neumann, R. S. Said, M. Nitsche, M. L. Markham, D. J. Twitchen, J. Twamley, F. Jelezko, J. Wrachtrup: “High Dynamic Range Magnetometry with a Single Nucleat Spin in Diamond”. Nature Nanotechnology (December, 18, 2011). 10.1038/NNANO.2011.224.

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Jörg. Wrachtrup, Universität Stuttgart, Tel: 0711/685 65278, e-mail wrachtrup@physik.uni-stuttgart.de
Prof. Dr. Fedor Jelezko, Tel.: 0731/50-23750


 

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