Klarer Blick in eine neue Welt: Forscher entwickeln Prototyp einer neuen Generation der Quantenmikroskopie

"Was als experimentelles Ärgernis begann, endete als Hinweis auf eine Fähigkeit unseres Mikroskops, die unter den derzeitigen Alternativen einzigartig ist"

11.11.2022 - Australien

Während die Quanteninformatik der große Renner unter den sich entwickelnden Technologien zu sein scheint, die auf dem Verhalten von Materie und Energie auf atomarer und subatomarer Ebene beruhen, verspricht eine andere Richtung, eine neue Tür für die wissenschaftliche Forschung selbst zu öffnen - die Quantenmikroskopie.

Mit dem Fortschritt der Quantentechnologien werden neue Mikroskopiemodalitäten möglich - solche, die elektrische Ströme sehen, schwankende Magnetfelder erkennen und sogar einzelne Moleküle auf einer Oberfläche sehen können.

Ein Prototyp eines solchen Mikroskops mit hoher Auflösungsempfindlichkeit wurde von einem australischen Forscherteam unter der Leitung von Professor Igor Aharonovich von der University of Technology Sydney und Dr. Jean-Philippe Tetienne von der RMIT University entwickelt. Die Ergebnisse des Teams wurden jetzt in Nature Physics veröffentlicht .

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Das Quantenmikroskop basiert auf atomaren Verunreinigungen, die nach einer Laserbeleuchtung Licht aussenden, das direkt mit interessanten physikalischen Größen wie dem Magnetfeld, dem elektrischen Feld oder der chemischen Umgebung in der Nähe des Defekts in Verbindung gebracht werden kann.

Professor Aharonovich sagte, das Geniale an dem neuen Ansatz sei, dass das Forscherteam im Gegensatz zu den sperrigen Kristallen, die häufig für Quantensensoren verwendet werden, atomar dünne Schichten, das so genannte hexagonale Bornitrid (hBN), eingesetzt habe.

"Dieses Van-der-Waals-Material - das heißt, es besteht aus stark gebundenen zweidimensionalen Schichten - kann sehr dünn hergestellt werden und sich beliebig rauen Oberflächen anpassen, was eine hochauflösende Empfindlichkeit ermöglicht", sagte Professor Aharonovich.

"Diese Eigenschaften brachten uns auf die Idee, 'quantenaktive' hBN-Folien für die Quantenmikroskopie zu verwenden. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um ein bildgebendes Verfahren, bei dem Anordnungen von Quantensensoren verwendet werden, um räumliche Karten der Größen zu erstellen, für die sie empfindlich sind", sagte Dr. Tetienne.

"Bislang war die Quantenmikroskopie in ihrer räumlichen Auflösung und Anwendungsflexibilität durch die mit der Verwendung eines sperrigen dreidimensionalen Sensors verbundenen Schnittstellenprobleme eingeschränkt. Indem wir stattdessen einen van-der-Waals-Sensor verwenden, hoffen wir, den Nutzen der Quantenmikroskopie auf Bereiche auszudehnen, die bisher unzugänglich waren."

Um die Fähigkeiten des Prototyps zu testen, führte das Team Quantensensorik an einem technologisch relevanten magnetischen Material durch - einem Plättchen aus CrTe2, einem van-der-Waals-Ferromagneten mit einer kritischen Temperatur knapp über Raumtemperatur.

Das hBN-basierte Quantenmikroskop war in der Lage, die magnetischen Domänen des Ferromagneten in nanoskaliger Nähe zum Sensor und unter Umgebungsbedingungen abzubilden - etwas, das bis dato als unmöglich galt.

Darüber hinaus wurde unter Ausnutzung der einzigartigen Eigenschaften der hBN-Defekte eine gleichzeitige Temperaturkarte aufgezeichnet, was bestätigt, dass das Mikroskop zur korrelativen Abbildung zwischen den beiden Größen verwendet werden kann.

Die Hauptautoren des Nature Physics-Artikels, die Doktoranden Alex Healey (University of Melbourne) und Sam Scholten (University of Melbourne) sowie der Nachwuchsforscher Tieshan Yang (UTS), erklärten, dass die van-der-Waals-Natur des Sensors die doppelte Erfassung von magnetischen Eigenschaften und Temperatur ermöglicht habe.

"Da er sehr dünn ist, kann nicht viel Wärme durch ihn hindurchgeleitet werden, und die Temperaturverteilung ist dieselbe, als ob der Sensor nicht vorhanden wäre", so die beiden. "Was als experimentelles Ärgernis begann, endete als Hinweis auf eine Fähigkeit unseres Mikroskops, die unter den derzeitigen Alternativen einzigartig ist."

"Diese neue Generation der Quantenmikroskopie birgt ein enormes Potenzial", sagte UTS-Forscher Dr. Mehran Kianinia. "Sie kann nicht nur bei Raumtemperatur arbeiten und gleichzeitig Informationen über Temperatur, elektrische und magnetische Felder liefern, sondern lässt sich auch nahtlos in nanoskalige Geräte integrieren und widersteht sehr rauen Umgebungen, da hBN ein sehr steifes Material ist.

"Zu den wichtigsten künftigen Anwendungen gehören die hochauflösende Magnetresonanztomographie (MRT) und die Kernspinresonanz (NMR), die zur Untersuchung chemischer Reaktionen und zur Identifizierung molekularer Ursprünge eingesetzt werden können, sowie Anwendungen in der Raumfahrt, der Verteidigung und der Landwirtschaft, wo Fernerkundung und Bildgebung von entscheidender Bedeutung sind.

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