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Hochsensible Nanosensoren

Physiker realisieren zehn Jahre alten theoretischen Ansatz

Illustration: Universität Basel, Arne Barfuss

Werden die Federbalken zum Schwingen angeregt, verspannt sich die Kristallstruktur des Diamants. Diese Spannungen beeinflussen den Spin (rot) der Stickstoff-Vakanzzentren, was sich im Experiment optisch messen lässt.

30.06.2014: Wissenschaftler vom Swiss Nanoscience Institute an der Universität Basel haben gezeigt, dass sich speziell modifizierte Diamanten als hochsensible Nanosensoren eignen könnten. Sie verwendeten dazu winzige Federbalken aus einkristallinem Diamant, der gezielt eingebrachte Fehlstellen in seiner Kristallstruktur aufweist. An diesen Stellen lässt sich der Spin einzelner Elektronen messen, der mit der Schwingung des Federbalkens gekoppelt ist. Damit realisierten die Forscher experimentell erstmals ein zehn Jahre altes theoretisches Konzept, wie sie in den «Physical Review Letters» berichten.

Diamanten schmücken nicht nur Finger und Ohren, sie sind auch für Wissenschaftler weltweit von grossem Interesse. Ihr Kohlenstoffgitter lässt sich nämlich gezielt modifizieren, so dass ein Kohlenstoffatom durch ein Stickstoffatom ersetzt wird und gleich daneben eine Leerstelle entsteht. In diesen Stickstoff-Vakanzzentren kreisen einzelne «gefangene» Elektronen. Diese haben einen Spin genannten Eigendrehimpuls, der sich messen lässt, indem er zum Aussenden eines Lichtsignals angeregt wird.

Die Forschenden um den Georg-H.-Endress-Professor Patrick Maletinsky vom Swiss Nanoscience Institute an der Universität Basel nutzen derartig modifizierte Diamanten, um daraus winzige Federbalken herzustellen. Sie konnten nun erstmals experimentell zeigen, dass sich der Spin der gefangenen Elektronen ändert, wenn der Federbalken gebogen oder in Schwingungen versetzt wird. Theoretische Überlegungen, die 2004 von ETH-Professor Atac Imamoglu und seinem damaligen Studenten Ignacio Wilson-Rae veröffentlicht wurden, sagten dieses Phänomen zwar bereits voraus, konnten aber bisher nicht im Experiment überprüft werden.

Verbindung von Elektronenspin und Schwingung des Federbalkens

Ausschlaggebend für diese Kopplung sind beim Verbiegen entstehende Spannungen in der Kristallstruktur des Diamanten, die einen Einfluss auf den Spin der einzelnen Elektronen haben. Wird nun der Federbalken beim Abtasten einer Oberfläche oder durch einen elektrischen Impuls in Schwingung versetzt, lässt sich dies durch die Kopplung mit dem Elektronenspin messen. Winzige Signale liessen sich mit diesen hochsensiblen Sensoren potenziell erfassen und könnten helfen, Nanostrukturen detailgenau abzubilden oder auch kleinste Mengen einzelner chemischer Verbindungen zu bestimmen.

Mit ihrer Forschung bewegen sich die Wissenschaftler an der Grenze zwischen Quantenmechanik und klassischer Mechanik. Die Ergebnisse dienen aber nicht nur dazu, diese Grenzen auszuloten, sie können auch einen angewandten Nutzen haben. So ist beispielsweise vorstellbar, dass solche Federbalken aus Einkristall-Diamanten als Sensoren in Materialwissenschaft, Nanotechnologie oder sogar der Biologie eingesetzt werden könnten. Sie arbeiten bei Raumtemperatur, und im Gegensatz zu vielen anderen Sensoren kommt es zu keiner biologischen Wechselwirkung mit dem untersuchten Material, wodurch sie sich auch in biologischem Gewebe verwenden liessen.

Bisher sind die Forschenden von der Universität Basel davon aber noch ein ganzes Stück entfernt. «Zunächst ist es für uns sehr spannend, dass wir als Erste in der Lage waren, diese Kopplung experimentell zu zeigen», kommentiert Patrick Maletinsky die Arbeit. «Wir konnten auch demonstrieren, dass unser System sehr stabil ist, was uns bei zukünftigen Untersuchungen und weiterführenden Experimenten an der Grenze der Quantenmechanik sehr zugute kommt.»

Originalveröffentlichung:
Jean Teissier, Arne Barfuss, Patrick Appel, Elke Neu, and Patrick Maletinsky; Strain Coupling of a Nitrogen-Vacancy Center Spin to a Diamond Mechanical Oscillator; Physical Review Letters (2014)

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