Atomarer Sensor aus Bornitrid vorgestellt
JMU-Wissenschaftler wollen Medizin, Materialforschung und Geräteentwicklung revolutionieren
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Optisch angeregter Qubit unter Druck (Bild: A. Gottscholl, uni-wuerzburg.de) |
Würzburg (pte014/09.08.2021/10:30) Ein neuer Sensor aus Bornitrid von Forschern der Universität Würzburg (JMU) http://uni-wuerzburg.de könnte bildgebende Verfahren in der Medizin revolutionieren. Die in "Nature Communications" beschriebene Innovation beruht auf einem Qubit im Kristallgitter und ist vergleichbaren Sensoren überlegen, heißt es. Auch die Materialforschung, Geräteentwicklung oder auch Biologie sind den Experten nach potenzielle Anwendungsgebiete.
Spin-Defekt als Grundlage
Dabei ist der Sensor kein Sensor im klassischen Sinn. Vielmehr eignet sich ein künstlich erzeugter Spin-Defekt (Qubit) in einem Kristallgitter aus Bornitrid 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, so die Wissenschaftler.
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", so Vladimir Dyakonov, Leiter des Lehrstuhls für Experimentelle Physik VI an der JMU. Gemessen wird rein optisch mit einem Laser - der Sensor kommt also ohne elektrische Kontaktierung aus.
Sehr hohe Empfindlichkeit
"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. Unser Bornitrid-Sensor reagiert auf äußere Druckänderungen und übersteigt die Empfindlichkeit der bisherigen Systeme, vor allem bei niedrigen Temperaturen", erklärt JMU-Physik-Doktorand und Erstautor Andreas Gottscholl.
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", ergänzt Dyakonov. Eine direkte Interaktion mit der Umgebung wäre möglich.
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