Das Team findet Wege, die Quantenkraft atomarer Fehler zu nutzen

Die interessantesten Teile der Natur sind oft die Unvollkommenheiten. Das gilt insbesondere für die Quantenphysik, die Welt auf atomarer Ebene, in der winzige Fehler einen großen Unterschied in der Art und Weise machen können, wie sich Teilchen verhalten und interagieren.

Wie in einem Artikel in berichtet NaturkommunikationChong Zu, Assistenzprofessor für Physik im Bereich Kunst und Wissenschaft an der Washington University in St. Louis, und sein Team finden neue Wege, um die Quantenkraft von Defekten in ansonsten makellosen Kristallen zu nutzen.

Die Arbeit wird teilweise vom Center for Quantum Leaps unterstützt, einer Signaturinitiative des strategischen Plans Arts & Sciences, die darauf abzielt, Quantenerkenntnisse und -technologien auf die Physik, Biomedizin und Biowissenschaften, Arzneimittelforschung und andere weitreichende Bereiche anzuwenden.

Zus Labor untersucht atomare Fehler in Bornitrid, einem Material, das so dünne Schichten bildet, dass man es als zweidimensional betrachten kann. Bornitrid ist im Allgemeinen unveränderlich und einheitlich, aber hin und wieder hinterlässt ein fehlendes Boratom einen winzigen Raum. Diese Lücken können auf natürliche Weise entstehen, aber Zu und sein Team – darunter der Doktorand Ruotian (Reginald) Gong – beschleunigten den Prozess, indem sie mikroskopisch kleine Flocken des Materials mit Heliumatomen bombardierten, kleinen Atomgeschossen, die zufällig Boratome herausschlagen.

Die resultierenden Lücken haben ein wichtiges Quantenpotenzial. Die Hohlräume füllen sich auf natürliche Weise mit Elektronen, die sehr empfindlich auf ihre Umgebung reagieren. Beispielsweise können winzige Veränderungen der Magnetfelder und der Temperatur den Spin und den Energiezustand der Elektronen verändern. Diese Empfindlichkeit macht sie potenziell nützlich als Quantensensoren. In der neuen Studie zeigten Zu, Gong und Kollegen erstmals, dass die Elektronen auch auf Veränderungen in elektrischen Feldern reagieren und so das Spektrum möglicher Anwendungen erweitern.

Da diese speziellen Sensoren in einer dünnen, stabilen Matrix aus Bornitrid eingeschlossen sind, könnten sie theoretisch auf eine Vielzahl von Substanzen angewendet werden, von geologischen bis hin zu biologischen. Andere Arten von Sensoren werden typischerweise in einer Vakuumumgebung hergestellt, die auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden muss.

„Man könnte nie etwas so Kaltes neben eine lebende Zelle stellen“, sagte Zu. Die aus Bornitrid hergestellten Sensoren haben jedoch Raumtemperatur.

Die Bornitrid-Sensoren könnten auch in grundlegenden Simulationsexperimenten eingesetzt werden, um Quantenwechselwirkungen von Teilchen zu untersuchen, sagte Zu. Physiker nutzen oft Computerprogramme, um vorherzusagen, wie Teilchen interagieren könnten, sagte er, aber die Systeme seien so komplex, dass selbst die leistungsstärksten Computer nur so schnell arbeiten könnten.

„Anstatt zu versuchen, die Systeme auf einem Computer zu erstellen, können Sie einfach genau das System erstellen, das Sie untersuchen möchten, und dann die Wechselwirkungen untersuchen“, sagte er.