Quantensensoren aus Diamant

Winzige Magnetfelder identifizieren

Forscher am Fraunhofer Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF entwickeln hochempfindliche Diamantsonden als Basis für neuartige Quantensensoren. Diese sind in der Lage, kleinste magnetische Felder im Nanometer-Bereich zu identifizieren.

Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer Diamantspitze

Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer Diamantspitze | Fraunhofer IAF

Die Quantenmechanik ist nicht nur ein spannendes Feld der Grundlagenforschung. Fortschritte in der Quantentechnologie versprechen eine Vielzahl industrierelevanter Innovationen, die in den kommenden fünf bis zehn Jahren Einzug in die Wirtschaft halten werden. Forscher am Fraunhofer Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF, an der Universität Stuttgart und am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung entwickeln gemeinsam hochempfindliche Diamantsonden als Basis für neuartige Quantensensoren.

Auch medizinische Anwendungen denkbar

Diese sind in der Lage, kleinste magnetische Felder mit nanometergenauer Ortsauflösung zu charakterisieren. Einsatzfelder liegen u.a. auch in der Charakterisierung biologischer Substanzen wie beispielsweise Proteine. Das 2016 gestartete Forschungsprogramm mit dem Namen „NMR (Nuclear Magnetic Resonance oder Kernspinresonanz) at the Nanoscale“ hat eine Laufzeit von drei Jahren.

Detektion über ein Stickstoff-Vakanz-Zentrum

Unmittelbares Ziel der Kooperation zwischen Prof. Jörg Wrachtrup (Universität Stuttgart), Prof. Klaus Kern (Max-Planck-Institut) und Christoph Nebel (Fraunhofer IAF) ist die Herstellung von Magnetfeld-Sonden aus Diamantspitzen. Die Detektion von Magnetfeldern erfolgt über ein sogenanntes Stickstoff-Vakanz-Zentrum (NV), das sich etwa 10 Nanometer unter der Oberfläche der Diamantspitze befindet. Die Spitzen sind vergleichbar mit den Sonden eines Rasterkraftmikroskops und können mit hoher Präzision über magnetische Elemente anorganischer oder biologischer Art bewegt werden. Wirtschaftlich bedeutende Anwendungen sind Mess- und Kalibriersonden zur Qualitätskontrolle magnetischer Speicherplatten und Leseköpfe, deren Dimensionen in naher Zukunft bei ca. 20 Nanometern liegen werden.

Darüber hinaus ist geplant, die Magnetfeld-empfindlichen NV-Zentren in Diamant-Plättchen anzuordnen, um die Verteilung von magnetischen Momenten zu visualisieren. Dieses Verfahren ähnelt der klassischen optischen Mikroskopie, wobei das Bild die Verteilung von lokalen Magnetfeldern zeigen soll.

Kernspinresonanz-Spektroskopie (NMR) mit Diamantsensoren

Die Identifikation kleinster Magnetfelder mit Diamantsensoren funktioniert wie folgt: In der winzigen Diamantspitze werden zwei benachbarte Kohlenstoffatome entfernt und eine der entstandenen Vakanzen durch ein Stickstoffatom ersetzt. Über die Elektronen des entstehenden Stickstoff-Vakanz-Zentrums können mit der Kernspinresonanz-Spektroskopie (NMR) selbst kleinste magnetische Felder mit einer Auflösung von wenigen Nanometern detektiert werden.

In Zukunft könnten die Diamantsensoren in einer Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungen zum Einsatz kommen, zum Beispiel in der Biomedizin für den Nachweis von Krankheiten und Giftstoffen oder in der Materialwissenschaft für die Zuverlässigkeits- und Sicherheitsprüfung. (idw, red)