Forschung an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg: Qubits unter Druck

Ein Forschung­steam in „Nature Com­mu­ni­ca­tions“ stellt einen neuar­ti­gen atom­aren Sen­sor aus Bor­ni­trid vor. Er beruht auf einem Qubit im Kristall­git­ter und ist ver­gle­ich­baren Sen­soren überlegen.
Ein kün­stlich erzeugter Spin-Defekt (Qubit) in einem Kristall­git­ter aus Bor­ni­trid eignet sich als Sen­sor, der ver­schiedene Verän­derun­gen in sein­er unmit­tel­baren Umge­bung messen kann. Bei dem Defekt han­delt es sich um eine Bor-Fehlstelle, die in ein­er zwei­di­men­sion­alen Schicht aus hexag­o­nalem Bor­ni­trid liegt und einen Drehim­puls (Spin) hat.
Der Defekt reagiert sehr empfind­lich auf seine atom­are Umge­bung, zum Beispiel auf die Abstände zu anderen Atom­en oder Atomlagen.
„Dadurch kann man mit ihm lokal Mag­net­felder, die Tem­per­atur und sog­ar den Druck messen“, sagt Pro­fes­sor Vladimir Dyakonov, Leit­er des Lehrstuhls für Exper­i­mentelle Physik VI an der Julius-Max­i­m­il­ians-Uni­ver­sität (JMU) Würzburg. Gemessen wird rein optisch mit einem Laser – der Sen­sor kommt also ohne elek­trische Kon­tak­tierung aus.

„Durch das geschick­te Ein- und Auss­chal­ten von Mikrow­ellen ver­schieden­er Fre­quenz kann der Spin-Defekt manip­uliert wer­den, sodass sich unter­schiedliche äußere Ein­flüsse wie Tem­per­atur, Druck und Mag­net­feld ableit­en lassen.“
— Andreas Gottscholl, Physik-Dok­torand der JMU

Was den neuartigen Sensor auszeichnet

Atom­are Sen­soren auf Basis von Spin-Defek­ten gibt es schon: Sie beste­hen aus Dia­mant oder Siliz­iumkar­bid und eignen sich für lokale Mes­sun­gen von Tem­per­atur und Mag­net­feld. „Unser Bor­ni­trid-Sen­sor reagiert zusät­zlich auf äußere Druck­än­derun­gen und über­steigt die Empfind­lichkeit der bish­eri­gen Sys­teme, vor allem bei niedri­gen Tem­per­a­turen.“, so Gottscholl.
„Neu bei unserem Spin-Defekt ist auch, dass er in einem zwei­di­men­sion­alen Kristall­git­ter liegt. Gegenüber den etablierten drei­di­men­sion­alen Sys­te­men aus Dia­mant oder Siliz­iumkar­bid bringt das ganz neue Anwen­dungsmöglichkeit­en mit sich“, erk­lärt der Würzburg­er Physiker.
Beispiel: Bor­ni­trid gilt aktuell als das Stan­dard­ma­te­r­i­al zur Verkapselung von neuar­ti­gen 2D-Bauteilen wie zum Beispiel nanome­ter­großen Tran­si­s­toren. „Wir haben mit unser­er Arbeit den Nach­weis erbracht, dass wir in dem oft ver­wen­de­ten Mate­r­i­al Bor­ni­trid atom­are Sen­soren kün­stlich ein­bet­ten kön­nen. Das sollte es möglich machen, Ein­flüsse wie Tem­per­atur, Druck und Mag­net­feld auf ver­schiedene Bauteile direkt zu messen.“

Welche Forschungsschritte anstehen

Bish­er haben die Forsch­er 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.
„Beson­ders inter­es­sant ist die Über­legung, Bor­ni­trid-Schicht­en von nur ein­er Atom­lage zu ver­wen­den, sodass der Sen­sor direkt an der Ober­fläche der zu unter­suchen­den Bauteile liegt“, sagt Pro­fes­sor Dyakonov. Das würde eine direk­te Inter­ak­tion mit der unmit­tel­baren Umge­bung ermöglichen.

Wo der Sensor zum Einsatz kommen könnte

Inter­es­sant kön­nten Anwen­dun­gen in der Mate­ri­al­forschung, Gerä­teen­twick­lung oder der Biolo­gie sein, um auf diesen Gebi­eten neue Erken­nt­nisse zu gewin­nen. Neben weit­eren Ein­satzmöglichkeit­en in der Wis­senschaft ist langfristig auch ein Einzug als kom­merzieller Sen­sor denkbar – das kön­nte bildgebende Ver­fahren der Medi­zin rev­o­lu­tion­ieren, da der Sen­sor beispiel­sweise lokale Tem­per­a­turen als Bild­kon­traste abbilden könnte.

Kooperationen und Förderer

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.
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.