Das Potenzial winziger Diamanten mit Störstellen

25. April 2011, 11:03
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Physiker an TU Wien: Einsatz als quantenphysikalische Sensoren vorstellbar

Wien - Aus einem Fehler haben Physiker aus Deutschland und Österreich das grundlegende Konzept für ein Messgerät entwickelt. Bei dem Fehler handelt es sich um winzige Störstellen in einem Diamanten, mit deren Hilfe sich kleinste elektrische und magnetische Felder messen lassen. Das utopisch anmutende, aber durchaus realitätsnahe Ziel der Wissenschafter: Nanometergroße Diamanten mit derartigen Störstellen sollen in lebende Zellen eingeschleust werden, um damit lebenswichtige Vorgänge wie die Wanderung von Ionen durch Zellmembranen zu beobachten. Die Arbeit wurde nun in der Wissenschaftszeitschrift "Nature Physics" veröffentlicht.

Vorteil des Defekts

Diamant besteht im Idealfall ausschließlich aus Kohlenstoff. Werden allerdings zwei Kohlenstoffatome im Kristallgitter durch ein Stickstoffatom und eine angrenzende Leerstelle ersetzt, so sammeln sich dort sechs Elektronen an und bilden einen sogenannten Stickstoff-Störstellendefekt. Dieser Defekt "hat ein paar sehr vorteilhafte Eigenschaften", wie der an der Studie beteiligte Physiker Tobias Nöbauer vom Atominstitut der Technischen Universität (TU) Wien erklärte. Man kann damit eine bestimmte Eigenschaft der Elektronen optisch auslesen, die in dem Loch neben dem Stickstoffatom gefangen sind. Bei dieser Eigenschaft handelt es sich um den sogenannten Elektronenspin.

In der Quantenphysik verhalten sich viele Teilchen ähnlich einem kleinen Kreisel, als würden sie um sich selbst rotieren und dabei ein kleines Magnetfeld erzeugen. Diesen Spin nutzt man auch bei bildgebenden Verfahren in der Medizin wie der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR). Dort misst man den Spin von Milliarden Teilchen, während in dem nun präsentierten Verfahren die Veränderung eines einzelnen Spins gemessen wird. "Das ist bei diesem Stickstoff-Störstellendefekt ganz einfach möglich: leuchtet man mit einem Laser auf die Störstelle und wird der Spin nur ein wenig verdreht, ändert sich die zurückgestreute Leuchtkraft", so Nöbauer, der im Rahmen seiner Dissertation mit Forschern der Uni Stuttgart geforscht hat. Ist der Spin im Zustand Null, leuchtet es relativ hell, ändert sich der Spin in Richtung Zustand Eins, nimmt die Leuchtkraft etwas ab, was sich relativ einfach messen lasse.

Solche Änderungen des Spins werden durch ein elektrisches oder magnetisches Feld hervorgerufen. Schon bisher konnte man mit nur einem Spin magnetische Felder messen. Den Wissenschaftern gelang nun erstmals auch die Messung eines elektrischen Felds.

Das Potenzial

Solche Diamanten haben damit "ziemlich großes Potenzial als quantenphysikalische Sensoren", so Nöbauer. Vor allem in der Biologie würden sich fantastische Anwendungen abzeichnen, auch weil Diamant chemisch nur sehr widerwillig reagiert, also inert ist: Die Wissenschafter denken darüber nach, nanometerkleine Diamanten mit solchen Störstellen zu nehmen und in lebende Zellen einzuschleusen, um dort elektrische oder magnetische Felder zu messen. "Damit hätte man einen winzigen Sensor in der Zelle und kann von außen bequem mit dem Laser ausmessen, ob sich der Spin verdreht, also ein Magnet- oder elektrisches Feld da ist", so der Physiker. Damit ließe sich etwa der Weg einzelner Ionen durch die Zellmembran verfolgen. Eine geplante Kooperation der Physiker mit dem Institut für molekulare Pathologie geht in diese Richtung. Denkbar wäre auch, die Eigenschaften der Diamanten für bildgebende Verfahren in der Medizin oder ähnlich einem Rasterkraftmikroskop zur Erkundung von Oberflächen zu nutzen.

Nöbauer arbeitet derzeit im Rahmen des von der Uni Wien und der TU Wien getragenen Doktoratskollegs "Complex Quantum Systems" (CoQuS) an seiner Dissertation bei Jörg Schmiedmayer am Atominstitut der TU Wien. (APA)

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