Kleinster denkbarer Magnetometer: der Quantensensor

23.03.2021

In unserem letzten Beitrag haben wir über die „verrückte“ Welt der Quantenmechanik berichtet. Die Quantensensorik ist eine der Quantentechnologien, die momentan für den breiten Einsatz vorbereitet wird. Sie könnte die Erfassung von Magnetfeldern revolutionieren: Kostengünstig, raumsparend, kühlsystemfrei und mit einer nie dagewesenen Präzision, denn das auf Quanteneffekten basierende Messverfahren findet auf atomarer Ebene statt und ist so genau und empfindlich wie keine andere Technik. Wie mit Hilfe von quantenbasierter Sensorik gemessen werden kann und für welche Einsatzgebiete die neue Technik in Frage kommt, beleuchten wir in diesem Post.

Messen, was nicht zu sehen ist

Quantensensoren übertreffen gängige und derzeit verfügbare Messverfahren im Hinblick auf Genauigkeit und Empfindlichkeit um ein Vielfaches. Sie können Größen und Parameter detektieren, die wir (noch) nicht sehen können. So erhofft man sich mit ihrer Hilfe beispielsweise eine Verbesserung der medizinischen Diagnostik zur Messung von Magnetfeldern des Gehirns oder von Gehirnströmen. Auch eine sehr frühzeitige Erkennung schwerer Krankheiten wie Krebs oder Alzheimer ist vorstellbar, denn Quantensensoren können Moleküle und die Beschaffenheit von Gegenständen sichtbar machen.

Prädestiniert sind die hochsensiblen Sensoren auch für den Einsatz in autonomen Fahrzeugen, da sie die Fähigkeit besitzen, Gegenstände oder andere Fahrzeuge wahrzunehmen, die nicht im Gesichtsfeld liegen. Sie eignen sich als Frühwarnsysteme für Erdbeben und Vulkanausbrüche oder zur Qualitätssicherung von Halbleitern, Chips oder nano-elektronischen Schaltungen. Ein weitere denkbare Aufgabe ist das Erkennen von unterirdischen Rohstofflagerstätten, Erdölfeldern oder Wasserreserven. Die Anwendungsgebiete sind zahlreich und werden derzeit von Forschungsinstituten, Universitäten (z.B. Universität Leipzig und Industrieunternehmen wie der Turck duotec intensiv erforscht.

Nicht frei von Fehlern: Diamanten stellen Quanteneffekte dar

Kommen wir zurück zur Quantensensorik. Sie nutzt zur Erfassung von kleinsten Magnetfeldveränderungen die im vorhergehenden Blogpost dargestellte Superposition oder Verschränkung. Der dafür erforderliche Sensor ist der kleinste denkbare Magnetometer überhaupt, nämlich ein Elektron. Aber wie lässt sich ein Elektron, das bekanntermaßen nur in Verbindung mit einem Atom oder Ion vorkommt, als Messinstrument einsetzen? Die Lösung sind speziell für den Einsatz in der Quantensensorik gezüchtete oder synthetisierte Diamanten. Sie dienen gleichsam als Halter und als Schutzhülle der sog. Stickstoff-Fehlstellen-Zentren oder NV (engl. Nitrogen Vacancy)-Zentren. Diese Zentren sind nichts anderes als künstlich erzeugte, aber beabsichtigte Fehler im Diamanten.

Schemanzeichnung eines NV-Zentrums in einem für die Quantensensorik verwendeten Diamanten
Stickstoff-Fehlstellen (NV-Zentren), eigentlich kleine Fehler in dafür hergestellten Diamanten, bilden ein Quantensystem, mit dem sich Magnetfelder detektieren lassen

Reine Diamanten bestehen ausschließlich aus Kohlenstoffatomen (C). Für die Messung in der Quantensensorik werden Diamanten erzeugt, die nahe unter der Oberfläche eine Lage Stickstoff (N) enthalten. Stickstoffatome sind ähnlich groß wie Kohlenstoffatome, besitzen aber ein Elektron mehr. Durch eine Behandlung des Diamanten mit einem Elektronenstrahl lässt sich erreichen, die das Stickstoffatom umgebenden Kohlenstoffatome quasi zu entfernen und so eine Mulde oder Lücke zu bilden, in die das Elektron des Stickstoffs hineinfällt. Das Stickstoffatom mit der zugehörigen Lücke im Kristallgitter nennt man ein NV-Zentrum. Charakteristisch für das NV-Zentrum ist seine rote Fluoreszenz. Jedes der NV-Zentren kann unterschiedliche Spin-Zustände annehmen. Der Spin ist eine quantenmechanische Größe und wird häufig auch als Eigendrehimpuls des Elektrons bezeichnet.

Vereinfacht ausgedrückt besitzt ein NV-Zentrum ein Grundniveau, auf dem es sich befindet. Wird ein äußeres Magnetfeld an den Diamanten angelegt oder wirkt dieses auf ihn ein, verändert das Elektron sein elektronisches Niveau, d.h. es geht von dem Normal-Zustand in einen angeregten Zustand über. Im angeregten Zustand schließlich können die NV-Zentren eine rote Fluoreszenz aussenden. Die Stärke dieser Fluoreszenz hängt von der Stärke des Magnetfelds ab, das auf den Diamanten einwirkt. Damit wiederum lassen sich Rückschlüsse auf Beschaffenheit, Energie, Bewegung oder den Ort der gemessenen Substanzen oder Gegenstände erkennen. Die Vorteile dieses sensitiven Messsystems: Die NV-Zentren können auch sehr schwache Magnetfelder detektieren und in optische Informationen umzusetzen und sie reagieren auch auf Objekte, die sich außerhalb des menschlichen Gesichtsfelds befinden – etwa unter der Erde oder hinter einer Hausecke. Der Diamant wirkt darüber hinaus wie eine Schutzhülle, so dass die NV-Zentren ihre äußerst empfindlichen Quantenzustände auch bei Zimmertemperatur über einen relativ langen Zeitraum, sprich einige Tausendstelsekunden lang halten können. Das ist in der Quantenwelt nahezu eine Ewigkeit.

_____

Wer mehr zum aktuellen Stand der Quantensensorik der Turck duotec sowie Quantum Technologies erfahren möchte, findet weitere Informationen auf unsere Internetseite quantensensorik.turck-duotec.com

Ähnliche Beiträge

Kurz erklärt: DCA

27.04.2021

weiterlesen

Was Quantenphysik und Würfel gemeinsam haben

10.03.2021

weiterlesen

Der Strom für alle

28.01.2021

weiterlesen

Blogtronic Abonnement

Bitte rechnen Sie 6 plus 4.

Aktuell bleiben, blogtronic-Newsletter abonnieren.