Fehlstelle in Diamant hilft bei der Messung elektrischer Felder
Wissenschaftler heben immer wieder die wichtige Rolle elektrischer Felder in Natur und Technik. Durch die Veränderung dieser Felder werden Nervenimpulse übertragen und auch die moderne Datenspeicherung beruht auf der Speicherung elektrischer Ladung (sogenannte Flash-Speicher). Die hochgenaue Messung elektrischer Felder mit physikalischen Messtechniken ist der Wissenschaft allerdings noch nicht gelungen ... bis heute! Mithilfe einer einzelnen Fehlstelle in Diamant ist es Wissenschaftlern von der Universität Stuttgart in Deutschland gelungen, elektrische Felder zu messen. Die in der Fachzeitschrift Nature Physics vorgestellte Studie wurde teilweise von der EU finanziert. Elektrische Ladungen steuern über unterschiedlichste Wege fast alle physikalischen, chemischen oder biologischen Prozesse. Ein Beispiel dafür ist Desoxyribonukleinsäure (DNA) und die genaue Verteilung von Elektronen auf ihr. Diese Verteilung ist entscheidend für die präzise Übermittlung genetischer Informationen, und moderne elektrische Schaltungen lösen elektrische Ströme bis zu einzelnen Elektronen aus. Experten zufolge ist die Messung der mit den Ladungen verbundenen kleinen elektrischen Felder keine leichte Aufgabe. Hier tritt das Team aus Stuttgart auf den Plan, das einen neuartigen Sensor entwickelt hat, der aus lediglich einem einzelnen Atom besteht. Dieses Stickstoffatom ist als Verunreinigung in Diamant enthalten, erklären die Forscher. Das Diamantgitter "fixiert" das Atom, so die Wissenschaftler, und erlaubt es gleichzeitig, mithilfe eines Lasers die atomare Fehlstelle zu adressieren. "Die Wechselwirkung des Atoms mit dem zu messenden Feld kann mittels des von der Verunreinigung wieder ausgesendeten Lichts bestimmt werden. Auf diese Weise ist man in der Lage, elektrische Felder zu messen, die einem Bruchteil einer Elementarladung in einer Entfernung von 0,1 Mikrometern entsprechen", heißt es in einer Pressemitteilung der Universität Stuttgart. Da der Sensor ungefähr die Abmessung von einem Atom besitzt, können Wissenschaftler elektrische Felder mit der gleichen räumlichen Präzision messen. Durch das optische Auslesen kann der Sensor in jeder beliebigen Geometrie angebracht werden. Außerdem werden bei dem Verfahren Empfindlichkeit und Auflösung bei Raumtemperatur und unter Umgebungsbedingungen erreicht. Während Wissenschaftler in der Vergangenheit bereits kleine magnetische Felder auf dieselbe Weise nachweisen konnten, wurde es erstmals möglich, am selben Ort das elektrische sowie das magnetische Feld zu bestimmen, ohne den Sensor wechseln zu müssen. Durch diese jüngste Entwicklung eröffnen sich neue Möglichkeiten: zum Beispiel das gleichzeitige Messen der Verteilung von magnetischen Momenten der Kerne chemischer Verbindungen. Außerdem, so fügen sie hinzu, können die Struktur einer Substanz und deren chemische Reaktivität gleichzeitig bestimmt werden. "Die Möglichkeit, einzelnen Ladungen unter Umgebungsbedingungen genau erfassen zu können, würde einer Vielzahl von Anwendungen aus verschiedenen Bereichen zugutekommen", heißt es in dem Artikel. "Die meisten aktuellen Techniken sind allerdings auf Tieftemperatur-Methoden beschränkt, beispielsweise Einzelelektronentransistoren, die Einzelelektronen-Mikroskopie und die Rastertunnelmikroskopie. Hier haben wir eine Quantenmesstechnik eingeführt, die mithilfe eines einzelnen Stickstoff-Fehlstellen-Zentrums in Diamant präzise Messungen dreidimensionaler elektrischer Felder möglich macht." Ein Teil der Finanzierung der Studie kam aus den folgenden EU-Projekten: QAP ("Qubit applications"), das 9,9 Mio. EUR aus dem Themenbereich "Technologien für die Informationsgesellschaft" (IST) des Sechsten Rahmenprogramms (RP6) erhielt; EQUIND ("Engineered quantum information in nanostructured diamond"), das mit 1,66 Mio. EUR ebenfalls unter IST gefördert wurde; NEDQIT ("Nanoengineered diamond for quantum information technology"), ein Projekt im Rahmen des ERA-NET NANO-SCI; sowie SOLID ("Solid state systems for quantum information processing"), das mit 5 Mio. EUR unter dem Themenbereich "Informations- und Kommunikationstechnologien" (IKT) des Siebten Rahmenprogramms (RP7) der EU gefördert wurde.Weitere Informationen unter: Universität Stuttgart: http://www.uni-stuttgart.de/home/index.html Nature Physics: http://www.nature.com/nphys/index.html
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