Brillant! Diamantfeuer-Zentren dienen als Rotationssensor

Redakteur: Peter Königsreuther

Forscher an der Johannes-Gutenberg-Universität in Mainz haben bewiesen, dass man die Farbzentren in Diamanten als Gyroskop nutzen kann. Hier wird verraten, warum.

Dass man die Farbzentren von Diamanten als Gyroskop einsetzen kann, ist Forschenden aus Mainz eingefallen. Die Idee ist nicht neu, aber nun hat es auch praktisch geklappt – genauer gesagt, ist es sogar ein doppelter Durchbruch.
Dass man die Farbzentren von Diamanten als Gyroskop einsetzen kann, ist Forschenden aus Mainz eingefallen. Die Idee ist nicht neu, aber nun hat es auch praktisch geklappt – genauer gesagt, ist es sogar ein doppelter Durchbruch.
(Bild: Blinkerbell AG)

Drehen wir unseren Kopf, realisiert unser Gehirn diese Drehung vor allem über den visuellen Eindruck – also über das, was wir sehen. Technische Geräte schaffen das mit Gyroskopen, sprich Rotationssensoren. Vor allem für navigatorische Aufgaben sind sie unerlässlich. So detektiert etwa beim Autopiloten im Flugzeug ein Gyroskop die drei verschiedenen Rotationsarten, die das Flugzeug ausführen kann:

  • 1. Rollen, also einen Flügel nach unten und den anderen nach oben drehen;
  • 2. Die Nase nach oben beziehungsweise unten ziehen oder;
  • 3. Sich relativ zum Erdboden drehen.

Wichtig sind Gyroskope aber auch in Fahrzeugen. Ohne sie würde das autonome Fahren zum Beispiel nicht funktionieren, erklären die Forscher von der Johannes-Gutenberg-Universität in Mainz.

Diamant-Kernspins schaffen neuartiges Gyroskop

Die Mainzer Arbeitsgruppe um den Physiker Prof. Dr. Dmitry Budker publizierte bereits 2012 ihre Idee, Farbzentren in Diamanten als Gyroskope zu nutzen. Nun konnten die Forschenden den praktischen Nachweis dafür erbringen. Ihre Ergebnisse haben sie kürzlich im Fachmagazin Science Advances veröffentlicht.

Man nutzt diese Farbzentren aber bereits seit einigen Jahren zur Messung von Magnetfeldern, erläutert Budker, der auch am Helmholtz-Institut Mainz (HIM) arbeitet, das neben der Universität auch vom GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt getragen wird.

Die Messung von Rotationen funktioniere prinzipiell wie bei einem Magnetometer, doch sind einige Besonderheiten zu beachten: So muss der Sensor schwankende magnetische Felder ignorieren können, um die Rotationen ohne Beeinflussung messen zu können. Diesem Problem konnte das Mainzer Team lösen, heißt es. Einerseits nutzen sie für die Gyroskopie statt der Elektronenspins die Kernspins, die ein wesentlich kleineres magnetisches Moment haben und deshalb auf Magnetfelder weniger stark reagieren.

Funktionsprinzip, wie man mithilfe der Kernspins eines Diamanten einen Rotationssensor schaffen kann.
Funktionsprinzip, wie man mithilfe der Kernspins eines Diamanten einen Rotationssensor schaffen kann.
(Bild: A. Jarmola)

Und andererseits konnten die Wissenschaftler externe Magnetfelder weitgehend abschirmen und intern trotzdem ein sehr stabiles Bias-Magnetfeld zur Erzeugung des Messeffekts halten. Das ist ein unidirektional gerichtetes Magnetfeld, das auch kaum auf Temperaturschwankungen reagiert, wie es weiter heißt. Sollten schwankende Magnetfelder im Außenraum auftreten, „sehen“ die Farbzentren diese deshalb nicht.

Gleich zwei Neuerungen veröffentlicht

Fragestellungen und Herausforderungen rund um dieses Magnetfeld widmete sich Dr. Peter Blümler von der JGU. Die Experimente und der erste Nachweis gelangen allerdings Dr. Andrey Jarmola und Budkers ehemaligem Doktoranden, Dr. Sean Lourette, an der University of California in Berkeley. Somit berichten die Forscher in ihrer Veröffentlichung gleich über zwei Neuerungen: Erstens konnten sie ihre Idee aus dem Jahre 2012 realisieren und erstmalig Farbzentren von Diamanten als Gyroskop nutzen. Zweitens erarbeiteten sie einen technischen Weg, um dies zu erreichen. Bis in die alltägliche Anwendung sind allerdings noch weitere Herausforderungen zu meistern, merken die Experten an.

(ID:47779724)