For­schung an der Juli­us-Maxi­mi­li­ans-Uni­ver­si­tät Würz­burg: Qubits unter Druck

Ein For­schungs­team in „Natu­re Com­mu­ni­ca­ti­ons“ stellt einen neu­ar­ti­gen ato­ma­ren Sen­sor aus Bor­ni­trid vor. Er beruht auf einem Qubit im Kris­tall­git­ter und ist ver­gleich­ba­ren Sen­so­ren überlegen.
Ein künst­lich erzeug­ter Spin-Defekt (Qubit) in einem Kris­tall­git­ter aus Bor­ni­trid eig­net sich als Sen­sor, der ver­schie­de­ne Ver­än­de­run­gen in sei­ner unmit­tel­ba­ren Umge­bung mes­sen kann. Bei dem Defekt han­delt es sich um eine Bor-Fehl­stel­le, die in einer zwei­di­men­sio­na­len Schicht aus hexa­go­na­lem Bor­ni­trid liegt und einen Dreh­im­puls (Spin) hat.
Der Defekt reagiert sehr emp­find­lich auf sei­ne ato­ma­re Umge­bung, zum Bei­spiel auf die Abstän­de zu ande­ren Ato­men oder Atomlagen.
„Dadurch kann man mit ihm lokal Magnet­fel­der, die Tem­pe­ra­tur und sogar den Druck mes­sen“, sagt Pro­fes­sor Vla­di­mir Dya­ko­nov, Lei­ter des Lehr­stuhls für Expe­ri­men­tel­le Phy­sik VI an der Juli­us-Maxi­mi­li­ans-Uni­ver­si­tät (JMU) Würz­burg. Gemes­sen wird rein optisch mit einem Laser – der Sen­sor kommt also ohne elek­tri­sche Kon­tak­tie­rung aus.

„Durch das geschick­te Ein- und Aus­schal­ten von Mikro­wel­len ver­schie­de­ner Fre­quenz kann der Spin-Defekt mani­pu­liert wer­den, sodass sich unter­schied­li­che äuße­re Ein­flüs­se wie Tem­pe­ra­tur, Druck und Magnet­feld ablei­ten lassen.“
— Andre­as Gott­scholl, Phy­sik-Dok­to­rand der JMU

Was den neu­ar­ti­gen Sen­sor auszeichnet

Ato­ma­re Sen­so­ren auf Basis von Spin-Defek­ten gibt es schon: Sie bestehen aus Dia­mant oder Sili­zi­um­kar­bid und eig­nen sich für loka­le Mes­sun­gen von Tem­pe­ra­tur und Magnet­feld. „Unser Bor­ni­trid-Sen­sor reagiert zusätz­lich auf äuße­re Druck­än­de­run­gen und über­steigt die Emp­find­lich­keit der bis­he­ri­gen Sys­te­me, vor allem bei nied­ri­gen Tem­pe­ra­tu­ren.“, so Gottscholl.
„Neu bei unse­rem Spin-Defekt ist auch, dass er in einem zwei­di­men­sio­na­len Kris­tall­git­ter liegt. Gegen­über den eta­blier­ten drei­di­men­sio­na­len Sys­te­men aus Dia­mant oder Sili­zi­um­kar­bid bringt das ganz neue Anwen­dungs­mög­lich­kei­ten mit sich“, erklärt der Würz­bur­ger Physiker.
Bei­spiel: Bor­ni­trid gilt aktu­ell als das Stan­dard­ma­te­ri­al zur Ver­kap­se­lung von neu­ar­ti­gen 2D-Bau­tei­len wie zum Bei­spiel nano­me­ter­gro­ßen Tran­sis­to­ren. „Wir haben mit unse­rer Arbeit den Nach­weis erbracht, dass wir in dem oft ver­wen­de­ten Mate­ri­al Bor­ni­trid ato­ma­re Sen­so­ren künst­lich ein­bet­ten kön­nen. Das soll­te es mög­lich machen, Ein­flüs­se wie Tem­pe­ra­tur, Druck und Magnet­feld auf ver­schie­de­ne Bau­tei­le direkt zu mes­sen.“

Wel­che For­schungs­schrit­te anstehen

Bis­her haben die For­scher die Funk­ti­ons­wei­se des Sen­sors an einem gro­ßen Ensem­ble aus eini­gen Mil­lio­nen Spin-Defek­ten demons­triert. Als nächs­tes wol­len sie zei­gen, wie ein­zel­ne Spin-Defek­te als Sen­so­ren funk­tio­nie­ren. Gelingt das, wäre ein Ein­satz im Nano­me­ter­be­reich denkbar.
„Beson­ders inter­es­sant ist die Über­le­gung, Bor­ni­trid-Schich­ten von nur einer Atom­la­ge zu ver­wen­den, sodass der Sen­sor direkt an der Ober­flä­che der zu unter­su­chen­den Bau­tei­le liegt“, sagt Pro­fes­sor Dya­ko­nov. Das wür­de eine direk­te Inter­ak­ti­on mit der unmit­tel­ba­ren Umge­bung ermöglichen.

Wo der Sen­sor zum Ein­satz kom­men könnte

Inter­es­sant könn­ten Anwen­dun­gen in der Mate­ri­al­for­schung, Gerä­te­ent­wick­lung oder der Bio­lo­gie sein, um auf die­sen Gebie­ten neue Erkennt­nis­se zu gewin­nen. Neben wei­te­ren Ein­satz­mög­lich­kei­ten in der Wis­sen­schaft ist lang­fris­tig auch ein Ein­zug als kom­mer­zi­el­ler Sen­sor denk­bar – das könn­te bild­ge­ben­de Ver­fah­ren der Medi­zin revo­lu­tio­nie­ren, da der Sen­sor bei­spiels­wei­se loka­le Tem­pe­ra­tu­ren als Bild­kon­tras­te abbil­den könnte.

Koope­ra­tio­nen und Förderer

An der Publi­ka­ti­on in Natu­re Com­mu­ni­ca­ti­ons sind – neben dem Team aus der JMU-Phy­sik – Dr. Mehr­an Kia­ni­nia und Pro­fes­sor Igor Aha­ro­no­vich von der Uni­ver­si­ty of Tech­no­lo­gy Syd­ney (Aus­tra­li­en) sowie Pro­fes­sor Car­lo Bradac von der Trent Uni­ver­si­ty (Kana­da) maß­geb­lich beteiligt.
Finan­zi­ell geför­dert wur­den die Arbei­ten vom Würz­burg-Dres­den Clus­ter of Excel­lence on Com­ple­xi­ty and Topo­lo­gy in Quan­tum Mat­ter ct.qmat, der Alex­an­der-von-Hum­boldt-Stif­tung, dem Aus­tra­li­an Rese­arch Coun­cil und dem Asi­an Office of Aero­space Rese­arch and Deve­lo­p­ment. Die JMU hat die Ver­öf­fent­li­chung aus ihrem Open-Access-Publi­ka­ti­ons­fonds unterstützt.