Atomare Sensoren Wenn bei Bornitrid die Qubits unter Druck stehen

Eine neue Art von atomarem Sensor aus Bornitrid stellten Forschende der Universität Würzburg nun vor. Er basiert auf einem Qubit im Kristallgitter und soll bisherigen Sensoren überlegen sein.

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Ein künstlich erzeugter Spin-Defekt (Qubit) in einem Kristallgitter aus Bornitrid eignet sich als Sensor, der verschiedene Veränderungen in seiner unmittelbaren Umgebung messen kann, erklären die Würzburger Spezialisten, die das Phänomen jetzt im Journal „Nature Communications“ vorgestellt haben. Bei dem Defekt handelt es sich um eine Bor-Fehlstelle, die in einer zweidimensionalen Schicht aus hexagonalem Bornitrid liegt und einen Drehimpuls (Spin) hat, lautet die Erklärung. Der Defekt reagiere sehr empfindlich auf seine atomare Umgebung – zum Beispiel auf die Abstände zu anderen Atomen oder Atomlagen. So kann man damit lokal Magnetfelder, die Temperatur und sogar Druck messen, präzisiert Prof. Vladimir Dyakonov, Leiter des Lehrstuhls für Experimentelle Physik VI an der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg. Gemessen wird rein optisch und zwar mit einem Laser – der Sensor kommt also ohne elektrische Kontaktierung aus, wird betont.

Auf dem Weg zum effektiven Sensor im Nanometermaßstab

Schaltet man dazu Mikrowellen verschiedener Frequenz geschickt ein und aus, kann der Spin-Defekt so manipuliert werden, dass man unterschiedliche äußere Einflüsse wie Temperatur, Druck und Magnetfeld ableiten kann, erklärt Andreas Gottscholl, Physik-Doktorand der JMU, und Erstautor der Veröffentlichung.

Atomare Sensoren auf Basis von Spin-Defekten gibt es aber schon. Sie bestehen aus Diamant oder Siliziumkarbid und eignen sich für lokale Messungen von Temperatur und Magnetfeld. Der Bornitrid-Sensor reagiert jedoch zusätzlich auf äußere Druckänderungen und übersteigt die Empfindlichkeit der bisherigen Systeme – vor allem bei niedrigen Temperaturen, betonen die Forschenden. Neu bei diesem Spin-Defekt sei auch, dass er in einem zweidimensionalen Kristallgitter liege. Im Vergleich zu den etablierten 3D-Systemen aus den üblichen Materialien bringe das ganz neue Anwendungsmöglichkeiten mit sich.

Hier ein Beispiel: Bornitrid gilt aktuell als das Standardmaterial zur Verkapselung von neuartigen 2D-Bauteilen, wie zum Beispiel nur Nanometer messende Transistoren. Man hat mit dieser Arbeit nun aber den Nachweis erbracht, dass man ins Bornitrid atomare Sensoren künstlich einbetten kann. Das, heißt es weiter, sollte es möglich machen, Einflüsse wie Temperatur, Druck und Magnetfeld auf verschiedene Bauteile direkt zu messen. Bisher haben die Forschenden die Funktionsweise des Sensors an einem großen Ensemble aus einigen Millionen Spin-Defekten demonstriert. Als nächstes wollen sie zeigen, wie einzelne Spin-Defekte als Sensoren funktionieren. Gelingt das, wäre ein Einsatz im Nanometerbereich denkbar.

Was bringt ein solcher atomarer Sensor?

Besonders interessant sei die Überlegung, dass man Bornitrid-Schichten von nur einer Atomlage nimmt, um den Sensor direkt an der Oberfläche der zu untersuchenden Bauteile zu applizieren, lässt Dyakonov wissen. Das würde eine direkte Interaktion mit der unmittelbaren Umgebung ermöglichen. Interessant könnten Anwendungen in der Materialforschung, der Geräteentwicklung oder im Rahmen der Biologie sein, um auf diesen Gebieten neue Erkenntnisse zu gewinnen. Außer weiteren Einsatzmöglichkeiten in der Wissenschaft ist langfristig auch an kommerzielle Sensoren zu denken – das könnte etwa bildgebende Verfahren der Medizin revolutionieren, weil der Sensor unter anderem lokale Temperaturen als Bildkontraste abbilden könnte.

Weitere Hintergründe zur Forschungsarbeit

Finanziell gefördert wurden die Arbeiten vom Würzburg-Dresden Cluster of Excellence on Complexity and Topology in Quantum Matter ct.qmat, der Alexander-von-Humboldt-Stiftung, dem Australian Research Council und dem Asian Office of Aerospace Research and Development. Die JMU hat die Veröffentlichung aus ihrem Open-Access-Publikationsfonds unterstützt.

An der Publikation in Nature Communications sind – neben dem Team aus der JMU-Physik – Dr. Mehran Kianinia und Professor Igor Aharonovich von der University of Technology Sydney (Australien) sowie Professor Carlo Bradac von der Trent University (Kanada) maßgeblich beteiligt.

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