Die Physiker stellten in Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Bernd Abel vom Leibniz-Institut für Oberfl?chenmodifizierung (IOM in Leipzig), die besonderen "roten“ Diamanten selbst her – in einer hochmodernen und weltweit einmaligen Anlage zur Ionenimplantation und Elektronenbestrahlung. In dem Produktionsprozess wird ein Stickstoffatom mit hoher Geschwindigkeit in das 亚洲通_亚洲通官网￥娱乐网址 stabile Gitter eines Rohdiamanten "geschossen“. Im Ergebnis entsteht der spezielle Diamant, der eine hohe Dichte der sogenannten NV-Zentren hat. Das sind Diamantgitterfehler aus einer Kombination eines Stickstoffatoms mit einer Fehlstelle, die dem Diamanten besondere Eigenschaften verleihen, unter anderem die rote F?rbung. Wird er bei Zimmertemperatur mit grünem Licht bestrahlt, werden die NV-Zentren auf die unvorstellbar tiefe Temperatur von minus 273 Grad Celsius lokal heruntergekühlt, 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 sind überdimensionale, kostspielige Thermoskannen. Das macht die ganze Sache so spannend. Das bedeutet, man kann einen Quantencomputer oder einen Quantensensor für den Alltagsgebrauch herstellen“, erkl?rt Prof. 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 Aufl?sung 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 pr?zise 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 m?glich wird“, sagt der Physiker.
Der hochempfindliche Magnetfeldquantensensor ist im Gegensatz zu allen bisherigen Quantensensoren mit g?ngigen automatischen Bestückungsanlagen für gedruckte Schaltungen in hohen Stückzahlen zu verarbeiten und bei Raumtemperatur einsatzf?hig. "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 L?ngen in Maschinen nutzen. Dabei wirkt bereits der Diamant wegen seines dichten Gitters wie eine Thermoskanne. Ein scheinbar paradoxes Verhalten, weil doch die W?rmeleitf?higkeit eines Diamanten sogar zehnmal gr??er ist als von Kupfer. Nur so lassen sich diese Quanteneffekte auch in natürlichen Umgebungen und bei Raumtemperatur beobachten und gezielt steuern“, erl?utert Meijer. Der weitere Vorteil ist, ihm zufolge, dass diese Sensoren nur von wenigen Naturkonstanten abh?ngig sind, was den Produktionsablauf vereinfacht. Dies macht sie für sicherheitsrelevante Systeme bis hin zu Stromz?hlern in Haushalten interessant. "Die Quantenmechanik wurde in gro?en Teilen von den theoretischen Physikern Heisenberg, Hund oder Bloch vor fast 100 Jahren an der Universit?t Leipzig entwickelt. Es ist deshalb eine besondere Freude, dass die Umsetzung in allt?glichen Produkten nun ebenfalls in Leipzig stattfinden kann", sagt Meijer.
Ein Video zu dem Forschungsprojekt ist auf Youtube zu sehen.
Fachver?ffentlichung:
Coulomb-driven single defect engineering for scalable qubits and spin sensors in diamond, in Nature Communications
doi: 10.1038/s41467-019-12556-0
