Quantensensor misst Magnetfelder hundertmal genauer

26. November 2015, 15:25 Uhr
Quantensensor misst Magnetfelder hundertmal genauer
Quantensensor misst Magnetfelder hundertmal genauer
Viele moderne Geräte verwenden Sensoren, die sehr genau ein Magnetfeld erfassen müssen. So ermitteln MRI-Scanner in Krankenhäusern die magnetischen Felder von Teilchenspins in unserem Körper. Forschern der TU Delft und des Vereins FOM zusammen mit ihren Kollegen der Macquarie University (Sydney, Australien) ist es geglückt, die Empfindlichkeit solcher Magnetfeldsensoren um den Faktor 100 zu erhöhen, indem sie einen „intelligenten“ Sensor entwickelten, der auf der Drehung eines Elektrons in einem Diamanten basiert.

Diese äußerste Grenze an räumlicher Auflösung wird erreicht, indem die Drehung eines einzigen Elektrons als Aufnehmer herangezogen wird. Ein einzelner Spin stellt eine Art winziger Quanten-MRI-Scanner dar. Ein Magnetfeld kann während einer Messreihe ausgeführt werden, normalerweise immer mit den gleichen Einstellungen. Die Wissenschaftler haben nun diese Methode verbessert, indem die „Intelligenz“ des Quantensensors für eine automatische Optimierung der Messeinstellungen während der Messreihe sorgt. Dazu sammelt der Sensor Informationen über das Magnetfeld, vergleicht sie mit früheren Messungen und rechnet die optimalen Einstellungen für die nächste Messreihe aus.

Der Sensor besteht aus dem Spin eines einzelnen Elektrons, das in einem „Fehler“ im Diamanten gefangen ist. Das Elektron in dieser Stickstofffehlstelle kann von den Forschern sehr genau mit Laser- und Mikrowellenimpulsen gesteuert werden. Es kommen natürlich keine natürlichen, sondern extrem saubere Kunstdiamanten zum Einsatz, um das magnetische Rauschen im Diamanten zu minimieren. Eine schnelle Elektronik passt die Messeinstellungen des Sensors in Echtzeit an. Der intelligente Quantensensor macht in der gleichen Zeit einen hundertmal kleineren Fehler bei der Bestimmung des Magnetfelds als bei früheren Experimenten. Um den Diamantchip genau kontrollieren zu können, kühlten ihn die Wissenschaftler beim Experiment auf eine Temperatur nahe des absoluten Nullpunkts, auf rund -260 °C. Allerdings erwarten die Forscher, dass ihre Erfindung bald in Quantensensoren eingesetzt werden kann, die praktischerweise auch bei Zimmertemperatur arbeiten.
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