Forscher messen mit einzelner atomarer Fehlstelle in Diamant elektrische Felder Atom „spielt“ Sensor - scinexx | Das Wissensmagazin
Anzeige
Anzeige

Forscher messen mit einzelner atomarer Fehlstelle in Diamant elektrische Felder

Atom „spielt“ Sensor

Forschern ist es erstmals gelungen, mit einer einzelnen atomaren Fehlstelle in Diamant elektrische Felder zu messen. Damit können künftig die Struktur einer Substanz und deren chemische Reaktivität gleichzeitig bestimmt werden, berichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Nature Physics“.

{1r}

Die Quantenphysik wandelt sich dank eines immer umfassenderen Verständnisses und gut beherrschbarer Experimente zunehmend zum Forschungsfeld Quantentechnologie. Physiker können mittlerweile Materie maßschneidern und die Quantendynamik beeinflussen, was vielfältige Anwendungsmöglichkeiten beispielsweise in der Informationsverarbeitung oder Sensorik eröffnet.

Vielversprechendes Quantenmaterial

Das Team „Diamond Materials and Quantum Application“ des 3. Physikalischen Instituts sowie des Stuttgart Research Centers für Photonische Technologien (SCoPe) der Universität Stuttgart widmet sich mit Diamant einem sehr vielversprechenden Quantenmaterial und nutzt die technologischen Grundlagen dazu, besser kontrollierte und immer komplexere Diamant-Strukturen herzustellen.

Hierzu bringt die Forschergruppe Experten zu Materialwachstum, Strukturierung und Defekterzeugung, aber auch Quantenoptik und Spintronik zusammen. Sie fokussiert vor allem auf die Anwendung von „Quantendiamanten“ in den Bereichen Quantenphotonik und Spintronik. Die Ergebnisse könnten in der Zukunft aber auch unter anderem in der Medizin Anwendung finden.

Anzeige

Hochgenaue Messung elektrischer Felder

In der neuen Studie widmeten sich die Stuttgarter Forscher der großen physikalischen Herausforderung, elektrische Felder zu vermessen. Solche Felder spielen an verschiedenen Stellen in der Natur und Technik eine entscheidende Rolle. Nervenimpulse werden zum Beispiel durch die Veränderung von elektrischen Feldern übertragen und auch die moderne Datenspeicherung wie zum Beispiel auf USB-Sticks beruht auf der Speicherung elektrischer Ladung.

Die hochgenaue Messung der mit den Ladungen verbundenen kleinen elektrischen Felder ist allerdings eines der anspruchsvollsten Gebiete der Messtechnik. Die Forscher haben dafür einen neuartigen Sensor entwickelt, der aus lediglich einem einzelnen Atom besteht. Dieses Stickstoffatom ist als Verunreinigung in Diamant enthalten. Das Diamantgitter fixiert das Atom und erlaubt es gleichzeitig, mit Hilfe eines Lasers die atomare Fehlstelle zu adressieren.

Optisches Auslesen des Sensors

Die Wechselwirkung des Atoms mit dem zu messenden Feld können die Physiker mittels des von der Verunreinigung wieder ausgesendeten Lichts bestimmen. Auf diese Weise ist man in der Lage, elektrische Felder zu messen, die einem Bruchteil einer Elementarladung in einer Entfernung von 0,1 Mikrometern entsprechen. Da der Sensor selbst ungefähr die Abmessung von einem Atom besitzt, können elektrische Felder ebenfalls mit dieser räumlichen Präzision gemessen werden.

Das optische Auslesen des Sensors erlaubt es, den Sensor in jeder beliebigen Geometrie anzubringen. Zudem erreicht das Verfahren bei Raumtemperatur und unter Umgebungsbedingungen seine Empfindlichkeit und Auflösung. Mit demselben Verfahren konnten Wissenschaftler in der Vergangenheit bereits den Nachweis kleiner magnetischer Felder demonstrieren.

Kein Sensor-Wechsel nötig

Jetzt wurde es erstmals möglich, am selben Ort das elektrische sowie magnetische Feld zu bestimmen, ohne den Sensor wechseln zu müssen. Diese einzigartige Kombination eröffnet den Physikern zufolge vollkommen neue Möglichkeiten – zum Beispiel das gleichzeitige Messen der Verteilung von magnetischen Momenten der Kerne chemischer Verbindungen sowie die Ladungsverteilung von Elektronen in einzelnen Molekülen. (Nature Physics, 2011; doi:10.1038/NPHYS1969)

(Universität Stuttgart, 20.04.2011 – DLO)

Anzeige

In den Schlagzeilen

Diaschauen zum Thema

Dossiers zum Thema

Nanoröhrchen - Kohlenstoffwinzlinge als Bausteine für Computer der Zukunft

News des Tages

Liebespaar

Partnerwahl: Beeinflusst vom Duft der Gene?

Graphit macht Hitze zur Welle

Kann man Parkinson riechen?

Zum Mond, ohne abzuheben

Erkenne deine Begabungen bei der experimenta!

Bücher zum Thema

Expedition Zukunft - Wie Wissenschaft und Technik unser Leben verändern von Nadja Pernat

Nanotechnologie für Dummies - Spannende Entdeckungen aus dem Reich der Zwerge von Richard D. Booker und Earl Boysen

Die Geschwindigkeit des Honigs - Ungewöhnliche Erkenntnisse aus der Physik des Alltags von Jay Ingram

Wissen hoch 12 - Ergebnisse und Trends in Forschung und Technik von Harald Frater, Nadja Podbregar und Dieter Lohmann

Laser - von Fritz K. Kneubühl und Markus W. Sigrist

Das Wunder des Lichts - DVD der BBC

Donnerwetter - Physik - von Peter Häußler

Faszination Nanotechnologie - von Uwe Hartmann

Top-Clicks der Woche

Anzeige
Anzeige