Ein Magnet so klein wie ein Atom. Unmöglich zu messen? Nicht für Aparajita Singha. Die Physikerin ist Inhaberin der neuen Professur für „Nanoskalige Quantenmaterialien“ an der TU Dresden. Ihre Werkzeuge sind Diamanten mit Fehlern. Diese nutzt sie als ultrapräzise Sensoren, um die kleinsten magnetischen Signale in Materialien aufzuspüren. Ihre Arbeit ist eine wichtige Grundlage für Quantencomputer und andere Technologien der Zukunft.
Singha forscht im Dresden-Würzburger Exzellenzcluster ctd.qmat. „Meine Leidenschaft für Quantensensoren begann, als ich mich fragte, ob ich den kleinsten Magneten der Welt wirklich ausmessen kann", erzählt sie. Was abstrakt klingt, hat konkrete Bedeutung. Auf der Ebene der Atome befinden sich winzige Elementarmagnete, die Elektronenspins. Ihre Ausrichtung speichert Information. Während normale Computer nur mit Nullen und Einsen rechnen, können diese Spins in der Quantenwelt Null und Eins gleichzeitig sein. Das macht Quantencomputer extrem leistungsfähig.
Der Trick mit dem unperfekten Diamanten
Um diese winzigen Magnete zu messen, braucht Singha einen speziellen Sensor. „Kein Diamant ist perfekt. Die natürlichen Diamanten funkeln sogar schöner, je mehr Fehler sie in ihrer chemischen Struktur haben. Diese Fehler nutzen wir als Werkzeug für unsere Forschung", erklärt die Professorin. Für solch einen Sensor werden gezielt zwei Kohlenstoffatome aus einem synthetischen Diamanten entfernt. Eine Lücke wird mit Stickstoff gefüllt, die andere bleibt leer. Diese Kombination nennt man NV-Zentrum. Je nachdem, welches Licht der Diamant aussendet, wissen die Forschenden, wie stark die magnetischen Momente im Material sind.
Bisher funktioniert diese Messung nur bei minus 269 Grad Celsius. Singhas Ziel für die nächsten fünf Jahre ist ehrgeizig. „Ich möchte gemeinsam mit meinem Team den kleinsten Magneten der Welt messen und zwar bei Raumtemperatur. Das hat bisher noch niemand geschafft." Bei normaler Temperatur kann ihr Team heute bereits 100 Atome gleichzeitig messen. Für viele Quantentechnologien muss die Messung aber auf ein einzelnes Atom genau sein.
Methode mit großem Potenzial
Die Arbeit mit NV-Zentren in Diamanten ist weltweit ein wichtiger Forschungstrend. Auch in Sachsen tut sich einiges. „Beinahe alle sächsischen Quanten-Startups arbeiten mit Fehlstellen im Diamanten", sagt Matthias Vojta, Sprecher des Exzellenzclusters in Dresden. Darunter sind mehrere Firmen aus dem sächsischen Quantennetzwerk SAX-QT. „Das bereichert unsere Forschungstätigkeit im Verbund mit Würzburg und gibt der hiesigen Industrie mehr Quantenpower."
An Singhas Professur arbeiten zehn Menschen: zwei Postdocs, sechs Doktoranden und ein Techniker. Die Messungen müssen in absolut reiner Umgebung stattfinden, rein wie im Weltraum. Nur im Ultrahochvakuum erreichen sie die nötige Präzision. Die Forscherin ist überzeugt, dass ihre Methode großes Potenzial hat. Denn sie ist die einzige Messmethode, die auch bei normalen Temperaturen funktionieren kann.
