Durchbruch in der Quantentechnologie könnte Präzisionssensorik bei Raumtemperatur ermöglichen

Ein Durchbruch in der Quantentechnologieforschung könnte zur Realisierung einer neuen Generation präziser Quantensensoren führen, die bei Raumtemperatur funktionieren.

Die von einem internationalen Forscherteam der University of Glasgow, des Imperial College London und der UNSW Sydney durchgeführte Forschung zeigt, wie die Quantenzustände von Molekülen unter Umgebungsbedingungen kontrolliert und empfindlich erkannt werden können.

Die Erkenntnisse könnten dazu beitragen, eine neue Klasse von Quantensensoren zu entwickeln, mit denen sich biologische Systeme, neuartige Materialien oder elektronische Geräte untersuchen lassen, indem Magnetfelder mit hoher Empfindlichkeit und räumlicher Auflösung gemessen werden.

Durch die Verwendung von Molekülen als Quantensensor könnten zukünftige Geräte, die auf der Forschung des Teams aufbauen, Magnetfelder bis hinunter in den Nanometerbereich auf eine Weise messen, die einfach anzuwenden ist.

In einem Artikel mit dem Titel „Optisch detektierte kohärente Kontrolle von Molekülspins bei Raumtemperatur“ veröffentlicht in der Zeitschrift Briefe zur körperlichen Überprüfungzeigen die Forscher, wie sie eine bestimmte Quanteneigenschaft namens „Spin“ in organischen Molekülen manipulieren und mit sichtbarem Licht messen können – und das alles bei Raumtemperatur.

Das Team verwendete Laser, um die Elektronenspins in den Molekülen auszurichten, die man sich als winzige quantenmechanische Magnete vorstellen kann. Durch gezielt ausgerichtete Mikrowellenimpulse konnten sie diese Spinzustände in gewünschte Quantenzustände bringen. Den Zustand der Spins konnten sie dann anhand der Menge des sichtbaren Lichts messen, das von den Molekülen durch einen zweiten Laserimpuls ausgestrahlt wurde und je nach Quantenzustand der Spins variiert.

Bei ihrer Machbarkeitsdemonstration verwendete das Team ein organisches Molekül namens Pentacen, das in zwei Formen eines Materials namens Para-Terphenyl eingearbeitet war, sowohl in Kristallen als auch in einem dünnen Film, was neue Anwendungsmöglichkeiten in zukünftigen Geräten eröffnen könnte.

Das Team zeigte, dass es die Quantenkohärenz – die Zeitspanne, über die Quantenzustände bestehen – der Moleküle bei Raumtemperatur bis zu einer Mikrosekunde lang optisch erfassen konnte, also viel länger als die Zeit, die zur Manipulation der Zustände benötigt wird.

Je länger Quantenzustände aufrechterhalten werden können, desto mehr Informationen könnten zukünftige Sensoren über ihre Wechselwirkungen mit den von ihnen gemessenen Eigenschaften sammeln.

Dr. Sam Bayliss von der James Watt School of Engineering der Universität Glasgow, dessen Gruppe die Messungen leitete, sagte: „Die Quantensensorik bietet eine spannende Möglichkeit, die Welt um uns herum auf neue Weise zu erforschen und verspricht, Größen wie magnetische und elektrische Felder oder die Temperatur auf eine Weise zu messen, die mit klassischen Systemen nicht möglich wäre.“

„Indem wir zeigen, dass wir Quantenkohärenz in Molekülen bei Raumtemperatur optisch erkennen können, liefert diese Arbeit einen Machbarkeitsnachweis dafür, dass die für die Quantensensorik bei Raumtemperatur erforderlichen Schlüsseleigenschaften in einem System erreicht werden können, das chemisch synthetisiert werden kann.“

„Wir sind begeistert von den Möglichkeiten, die diese Ergebnisse eröffnen könnten, von einfach aufzutragenden Schichten für die Magnetresonanztomographie über kurze Längenskalen bis hin zur Untersuchung biologischer Systeme mit quantenverstärkter Empfindlichkeit.“

Dr. Max Attwood vom Department of Materials und dem London Center for Nanotechnology des Imperial College London, der die Synthese und Materialwissenschaften in dieser Arbeit leitete, sagte: „Diese Demonstration ist besonders spannend, weil Moleküle im Gegensatz zu anorganischen Sensoren chemisch abgestimmt und auf verschiedene Weise eingesetzt werden können. Zukünftige Forschung könnte ihre Quanteneigenschaften verbessern, ein breiteres Spektrum von Sensoranwendungen ansprechen und präzise Platzierungstechniken einsetzen, um interessante Ziele effektiv zu erfassen.“