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Universität Basel

Quantensensoren revolutionieren die Mikroskopie

Text: Christel Möller

Während der Einsatz von Quantencomputern noch in der Zukunft liegt, sind quantenbasierte Sensoren bereits Realität. Basler Physiker haben extrem empfindliche Messinstrumente entwickelt, die eine Abbildung in bisher unerreichter Auflösung ermöglichen.

Die aus Diamant gefertigte Spitze eines Rasterkraftmikroskops: In der Diamantspitze verändert sich der Spin (Pfeil) von frei kreisenden Elektronen, wenn sie einem magnetischen oder elektrischen Feld ausgesetzt sind. Die Elektronen werden zur Aussendung eines Lichtsignals angeregt, das ausgelesen werden kann. Mit diesem Quantensensor lassen sich präzise Bilder im Nanometermassstab erstellen. (Illustration: Universität Basel, Departement Physik)
Die aus Diamant gefertigte Spitze eines Rasterkraftmikroskops: In der Diamantspitze verändert sich der Spin (Pfeil) von frei kreisenden Elektronen, wenn sie einem magnetischen oder elektrischen Feld ausgesetzt sind. Die Elektronen werden zur Aussendung eines Lichtsignals angeregt, das ausgelesen werden kann. Mit diesem Quantensensor lassen sich präzise Bilder im Nanometermassstab erstellen. (Illustration: Universität Basel, Departement Physik)

Martino Poggio und sein Team nutzen in ihrer Forschung die besonderen Eigenschaften von Nanodrähten, um neuartige Sensoren zu entwickeln, die elektrische Felder, Kräfte, Ladungen und Spins messen können. Nanodrähte sind extrem dünne, langgestreckte Kristalle, die ein fast fehlerfreies Kristallgitter aufweisen. Sie sind mit einem Durchmesser von etwa 100 Nanometern fast tausendmal dünner als ein menschliches Haar, haben je nach Anwendung unterschiedliche Formen und Grössen, besitzen eine sehr geringe Masse und im Verhältnis zum Volumen eine enorm grosse Oberfläche. Neben Nanodrähten, die aus soliden Materialblöcken herausgeätzt oder -gefräst werden, arbeitet Martino Poggio auch mit Drähten, die sich selbst aus ihren molekularen Bausteinen aufbauen.

Nanodrähte für verschiedene Anwendungen

Diese sich selbst aufbauenden Nanodrähte können dank einer besonderen Geometrie beispielsweise in der Rasterkraftmikroskopie eingesetzt werden, um sowohl die Grösse als auch die Richtung von elektrischen Feldern zu bestimmen. Aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften vibrieren die Nanodrähte beim Abtasten der Oberfläche entlang zweier senkrecht zueinanderstehender Achsen mit etwa derselben Frequenz. Wenn nun ein elektrisches Feld auf den Sensor wirkt, verändert dies die Vibration der beiden Achsen. Das im Poggio-Team entwickelte Rasterkraftmikroskop ist in der Lage, die senkrecht zueinander laufenden Richtungen zu beobachten und so aus den Vibrationsänderungen ein genaues Kräftebild einer Probe zu erstellen.

Bei einem anderen Typ von Nanodrähten integrieren die Physiker ganz gezielt Quantenpunkte, die aufgrund ihrer Ähnlichkeit zu Atomen auch «künstliche Atome» genannt werden. Mit einer Ausdehnung von 10 bis 100 Nanometern sind die Quantenpunkte deutlich grösser als natürliche Atome und besitzen eine regulierbare Anzahl von Elektronen, die in ihrer Bewegungsfreiheit eingeschränkt sind. Durch einen Laser angeregt, senden die Quantenpunkte einzelne Lichtteilchen (Photonen) ähnlicher Wellenlänge aus. Wird der Nanodraht durch Wärme oder ein elektrisches Feld in Schwingung versetzt, verändert sich aufgrund der entstehenden mechanischen Spannung im Quantenpunkt die Wellenlänge des ausgesendeten Lichts. «Aus der gemessenen Wellenlänge können wir dann die Bewegung und Position des Nanodrahtes mit einer bisher nicht erreichten Empfindlichkeit von nur 100 Femtometern bestimmen», berichtet Martino Poggio. Zum Vergleich: Ein Femtometer entspricht 10 15 Metern oder dem Billiardstel Teil eines Meters.

Mit den sensiblen Sensoren aus dem Labor des Argovia-Professors lassen sich heute bereits kleinste elektrische und magnetische Felder analysieren. Denkbar ist auch, mehrere Quantenpunkte auf einem Nanodraht zu platzieren, über Bewegung miteinander zu verbinden und so Quanteninformation weiterzugeben.

Diamanten mit Fehlstellen

Wie sein Kollege untersucht auch Patrick Maletinsky eine Nanostruktur, in der einzelne Elektronen «gefangen» sind und die als quantenbasierter Sensor eingesetzt werden kann. Er verwendet dazu besondere Diamanten, die in ihrem Kristallgitter natürliche Defekte aufweisen. An zwei benachbarten Positionen im Diamant-Kristallgitter ist ein Kohlenstoffatom durch ein Stickstoffatom ersetzt worden und in unmittelbarer Nachbarschaft befindet sich eine Leerstelle. In solch einer Fehlstelle, auch Stickstoff-Vakanz-Zentrum (NV-Zentrum) genannt, kreisen einzelne Elektronen, die sich anregen und manipulieren lassen.

Das Maletinsky-Team integriert einzelne solcher NV-Zentren in nur wenige 100 Nanometer grosse, aus Diamant gefertigte Spitzen von Rasterkraftmikroskopen. Durch äussere elektrische oder magnetische Felder angeregt, kommt es zu einer Änderung des Elektronenspins der freien Elektronen in den NV-Zentren. Mittels einer eleganten optischen Messmethode ermitteln die Wissenschaftler diese Spinänderung und erhalten so ein Bild des einwirkenden Feldes mit einer Auflösung von nur wenigen Nanometern. 

«Wir nutzen die Sensoren vor allem, um neuartige Materialien und ihre magnetischen Eigenschaften zu untersuchen», kommentiert Patrick Maletinsky. Dank des quantenbasierten Messprinzips konnte er die Empfindlichkeit der Messungen gegenüber herkömmlichen Methoden um ein bis zwei Grössenordnungen verbessern und ist nun in der Lage, bisher unsichtbare magnetische Felder abzubilden. Die Diamantsensoren lassen sich sowohl bei Raumtemperatur als auch bei extrem tiefen Temperaturen einsetzen. Dies ist beispielsweise für die Untersuchung von supraleitenden Materialien wichtig, da sie ihre besonderen Eigenschaften erst bei etwa –200 °C entfalten. Auch biologische Proben lassen sich mit diesen Sensoren analysieren, da die Diamanten keine Wechselwirkungen mit biologischem Material eingehen und bei Raumtemperatur verwendet werden können.

Mit Quantensensoren auf den Markt

Um die vielfältig einsetzbaren Diamantsensoren auch für andere Forschungsgruppen und Anwender verfügbar zu machen, hat Patrick Maletinsky zusammen mit Mathieu Munsch, einem ehemaligen Postdoc am Departement Physik, das Unternehmen Qnami gegründet. «Qnami produziert die hochempfindlichen Sensoren, berät Kunden aus Forschung und Industrie und geht auf individuelle Wünsche ein», beschreibt Maletinsky sein Start-up. Geplant ist auch die Entwicklung eines kompletten, mit Diamantsonden ausgestatteten Rasterkraftmikroskops, was den potenziellen Kundenkreis noch deutlich erweitern wird.

Die Entwicklung von Sensoren, die auf den Gesetzen der Quantenmechanik basieren, ist durch das bessere Verständnis der Quantenwelt erst möglich geworden. Die neuen Sensoren werden die Mikroskopie revolutionieren, Türen für weitere spannende Anwendungen öffnen und auch die Entwicklung des Quantencomputers unterstützen.


Weitere Artikel in der aktuellen Ausgabe von UNI NOVA.

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