Quantensensorik mit einzelnen Spins
Das Interesse der EU-finanzierten Forscher an geladenen Stickstoff-Fehlstellen-Zentren wurde von der Suche nach einem tiefergehenden Verständnis für deren einzigartige Quanteneigenschaften motiviert. Überdies können die Quanteneigenschaften dieser in synthetischen Diamanten zu findenden Verunreinigungen individuell manipuliert und bei Raumtemperatur erforscht werden. Basieren Messungen auf Eigenschaften wie etwa den Unterschieden zwischen gut definierten Quantenzuständen, so können Sensoren eine bislang noch nie erreichte Genauigkeit erreichen. Die Quantensensorik innerhalb des Projekts QUANTUM METROLOGY (Measuring magnetic monopoles using quantum metrology in diamond) konzentrierte sich auf Magnetometer. Stickstoff-Fehlstellen haben quantisierte Energieniveaus, die sich aufteilen, wenn Magnetfelder vorhanden sind. Die Verschiebung kann dann ausgelesen werden, um die Größenordnung des extern angelegten Felds zu ermitteln. Die Einzigartigkeit der Stickstoff-Fehlstellen beruht auf deren ihrer Fähigkeit, optisch ausgelesen zu werden. Hierbei handelt es sich auf die optisch erfasste Magnetresonanz. Wissenschaftler von QUANTUM METROLOGY setzten einen Laserstrahl ein, um die atomähnlichen Systeme in einen bekannten Energiezustand zu versetzen, während Hochfrequenzfelder den Zustand der Kohärenz steuerten. Die Fluoreszenz wurde ausgelesen, um eine Messung im Nanobereich zu verwirklichen, wobei Anwendungen bei der Molekularstruktur-Bildgebung möglich erscheinen. Um die Leistungsfähigkeit der Kernspintomografie auf Basis von Stickstoff-Fehlstellen zu bewerten, wurde die 3D-Landschaft des Elektronenspins nahe einer Diamantoberfläche abgebildet. Die Wissenschaftler erzielten bislang beispiellose Kombination aus einer starken Auflösung von 0,8 nm und Einzel-Spin-Empfindlichkeit. Das neue Verfahren gestattet die Bestimmung der Lage von Spin-Labels in biologischen Systemen. Andererseits kann die Vektormagnetfeldempfindlichkeit durch die Anwendung dieses Verfahrens auf die Magnetometrie die Nano-Tesla-Genauigkeit überschreiten. Hochgenaue Messungen dieser Art sind das ultimative Ziel für das nächste Jahr des QUANTUM METROLOGY-Projekts.
Schlüsselbegriffe
Einzel-Spins, Stickstoff-Fehlstellen-Zentren, Nitrogen-Vacancy-Zentren, Diamant, magnetische Monopole, Quantenmetrologie