Q-Magine

Die Forschung an optisch aktiven Farbzentren in Festkörpern hat sich in der vergangenen Dekade rasant entwickelt. Vielfältige Untersuchen zur optisch detektierten Magnetresonanz (ODMR) in Festkörpern in den 1970er bis 1990er Jahren haben die Grundlage für die Entwicklung von Diamantquantensensoren geschaffen.

Diamant-Magnetfeldsensoren basieren auf dem optischen Nachweis der Elektronenspinresonanz von Stickstoff-Leerstellen-Kombinationen in einem hochreinen Diamant-Kristallgitter. Die Energieaufspaltung zwischen zwei Elektronenniveaus dieser Störstellen ist proportional zum zu messenden Magnetfeld.

Die zentrale Eigenschaft von solchen NV-Zentren (NV=Nitrogen/Vacancy) ist die lange Lebensdauer der erzeugten Quantenzustände. NV-Zentren bieten bedingt durch die effiziente Abschirmung innerhalb der Diamantmatrix – soweit bekannt – von allen Elektronenspin-Systemen die längsten Kohärenzzeiten im Festkörper bei Raumtemperatur. Mit Blick auf die Anwendung des Systems als Sensor ermöglicht diese Eigenschaft die genaue Bestimmung der Resonanzfrequenz. Durch Messung der Resonanzfrequenz kann somit insbesondere das Magnetfeld exakt und mit höchster Präzision bestimmt werden.

Das vorliegende internationale Verbundprojekt verfolgt eine wesentliche Präzisionssteigerung durch Verwendung eines neuen Detektionsverfahrens für das Magnetresonanzsignal eines NV-Zentrums. An Stelle der bisher überwiegend genutzten optischen Detektion soll ein photoelektrisches Verfahren zur Anwendung kommen. Dieses hat den Vorteil einer um den Faktor 1000 höheren Detektionsrate. Somit können auch Signale gemessen werden, die bislang viel zu schwach für einen Nachweis waren. Durch diese enorme Verbesserung lassen sich für die NV-Sensoren ganz neue Anwendungsbereiche erschließen.

Ziel des Konsortiums ist es insbesondere, für das neue Gebiet der Proteomforschung (Proteom = Gesamtheit der Proteine eines Lebewesens) eine innovative, kosteneffiziente Analysemethode zu entwickeln und damit die bisherigen, sehr teuren Verfahren, wie etwa die Massenspektroskopie, zu ergänzen oder sogar zu ersetzen.

Es müssen einzelne Moleküle direkt anhand ihres jeweiligen charakteristischen Elektronenspin-Signals identifiziert werden, ohne dass hierfür irgendwelche Marker-Molekülgruppen verwendet würden. Auf diese Weise soll in Form einer 3D-tomographischen Kartierung die chemische Struktur eines Biomoleküls (eines Proteins oder Peptids) exakt vermessen werden können.

Als Detektionseinheit sollen im Vorhaben ein 2D-Sensor bestehend aus 50nm großen NV-Pixeln entstehen, sowie das photoelektrische Detektionsverfahren und die erforderlichen Techniken für die Kontrolle des Quanten-Spinzustandes der NV-Zentren entwickelt werden.
Weitere Anwendungen des hochempfindlichen Quantensensors liegen in den Bereichen der medizinischen und biologischen Kernspinresonanz (NMR) sowie der Magneto-Kardiographie und -Enzephalographie.