Ein internationales Forscherteam des deutschen Forschungszentrums Jülich und des koreanischen IBS Center for Quantum Nanoscience (QNS) hat einen Quantensensor entwickelt, der winzige Magnetfelder auf atomarer Längenskala erfassen kann. Diese Pionierarbeit verwirklicht einen lang gehegten Traum der Wissenschaftler: ein MRT-ähnliches Werkzeug für Quantenmaterialien.
Das Forschungsteam nutzte das Know-how der Jülicher Gruppe im Bereich der Bottom-up-Fertigung einzelner Moleküle und führte gleichzeitig Experimente bei QNS durch. Dabei nutzte es die hochmoderne Instrumentierung und das methodische Know-how des koreanischen Teams, um den weltweit ersten Quantensensor für die atomare Welt zu entwickeln.
Die Forschungsergebnisse wurden veröffentlicht in Natur Nanotechnologie.
Der Durchmesser eines Atoms ist eine Million Mal kleiner als das dickste menschliche Haar. Dies macht es äußerst schwierig, physikalische Größen wie elektrische und magnetische Felder, die von Atomen ausgehen, zu visualisieren und präzise zu messen. Um solch schwache Felder eines einzelnen Atoms wahrzunehmen, muss das Beobachtungsinstrument hochempfindlich und so klein wie die Atome selbst sein.
Ein Quantensensor ist eine Technologie, die quantenmechanische Phänomene wie den Spin eines Elektrons oder die Verschränkung von Quantenzuständen für präzise Messungen nutzt. In den letzten Jahren wurden verschiedene Arten von Quantensensoren entwickelt. Während viele Quantensensoren in der Lage sind, elektrische und magnetische Felder zu erfassen, glaubte man, dass eine räumliche Auflösung im atomaren Maßstab nicht gleichzeitig erreicht werden kann.
Ein Quantensensor für elektrische und magnetische Felder im atomaren Maßstab. Bildnachweis: Forschungszentrum Jülich / Mariia Krylova
Ein neuer Ansatz für eine bessere Auflösung
Der Erfolg des neuen Quantensensors im atomaren Maßstab beruht auf der Verwendung eines einzigen Moleküls. Dies ist eine konzeptionell andere Art der Sensorik, da die Funktion der meisten anderen Sensoren auf einem Defekt – einer Unvollkommenheit – eines Kristallgitters beruht. Da solche Defekte ihre Eigenschaften nur entwickeln, wenn sie tief in das Material eingebettet sind, bleibt der Defekt – der elektrische und magnetische Felder erfassen kann – immer in relativ großer Entfernung vom Objekt und verhindert, dass er das eigentliche Objekt im Maßstab einzelner Atome erkennt.
Das Forschungsteam änderte den Ansatz und entwickelte ein Werkzeug, das mithilfe eines einzelnen Moleküls die elektrischen und magnetischen Eigenschaften von Atomen erfasst. Das Molekül wird an der Spitze des Rastertunnelmikroskops befestigt und kann bis auf wenige Atomabstände an das eigentliche Objekt herangeführt werden.
Dr. Taner Esat, Hauptautor des Jülicher Teams, zeigte sich begeistert über die möglichen Anwendungen und erklärte: „Dieser Quantensensor ist ein Wendepunkt, denn er liefert Bilder von Materialien, die so detailreich sind wie ein MRT, und setzt gleichzeitig einen neuen Standard für die räumliche Auflösung von Quantensensoren. Damit können wir Materialien auf ihrer grundlegendsten Ebene erforschen und verstehen.“
Die langfristige Zusammenarbeit beruhte darauf, dass Dr. Esat – zuvor Postdoc bei QNS – nach Jülich zurückkehrte, wo er dieses Sensormolekül konzipiert hatte. Er entschied sich, für einen Forschungsaufenthalt ans QNS zurückzukehren, um diese Technik mit den hochmodernen Instrumenten des Zentrums zu testen.
Der Sensor hat eine Energieauflösung, die es ermöglicht, Änderungen in magnetischen und elektrischen Feldern mit einer räumlichen Auflösung in der Größenordnung eines Zehntels eines Ångströms zu erfassen, wobei 1 Ångström typischerweise einem Atomdurchmesser entspricht. Darüber hinaus kann der Quantensensor in bestehenden Labors weltweit konstruiert und implementiert werden.
„Was diese Leistung so bemerkenswert macht, ist, dass wir ein exquisit konstruiertes Quantenobjekt verwenden, um grundlegende atomare Eigenschaften von Grund auf zu entschlüsseln. Frühere Techniken zur Visualisierung von Materialien verwenden große, sperrige Sonden, um winzige atomare Merkmale zu analysieren“, sagt der Hauptautor von QNS, Dr. Dimitry Borodin. „Man muss klein sein, um Kleines zu sehen.“
Dieser bahnbrechende Quantensensor wird völlig neue Wege für die Entwicklung von Quantenmaterialien und -geräten, die Entwicklung neuer Katalysatoren und die Erforschung des grundlegenden Quantenverhaltens molekularer Systeme, beispielsweise in der Biochemie, eröffnen.
Yujeong Bae, QNS‘ PI für das Projekt, bemerkt: „Die Revolution bei den Werkzeugen zur Beobachtung und Untersuchung von Materie geht aus der angesammelten Grundlagenforschung hervor. Wie Richard Feynman sagte: ‚Da ist noch jede Menge Platz unten‘, das Potenzial der Technologie zur Manipulation auf atomarer Ebene ist unendlich.“
Professor Temirov, Forschungsgruppenleiter in Jülich, fügt hinzu: „Es ist spannend zu sehen, wie unsere langjährige Arbeit in der Molekülmanipulation zur Konstruktion eines rekordverdächtigen Quantengeräts geführt hat.“
Die Entwicklung dieses Quantensensors im atomaren Maßstab stellt einen bedeutenden Meilenstein auf dem Gebiet der Quantentechnologie dar und dürfte weitreichende Auswirkungen auf zahlreiche wissenschaftliche Disziplinen haben.
Mehr Informationen:
Ein Quantensensor für elektrische und magnetische Felder im atomaren Maßstab, Natur Nanotechnologie (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01724-z