Arbeitsgruppe Prof. Neu-Ruffing

Quantensensoren für die Lebenswissenschaften

Punktdefekte in Kristallen als Sensoren

Wie erforschen Punktdefekte in Kristallen z.B. einzelne Verunreinigungsatome: Sie absorbieren und emittieren Licht genau wie Atome sind aber im Festkörper gefangen ("künstliche Atome"). Eine hohe Dichte solcher Defekte färbt durchsichtige Kristalle deshalb nennt man sie auch Farbzentren. Gebundene Elektronen sorgen für magnetische Momente (Spins). Farbzentren sind über lange Zeit stabil auch bei Raumtemperatur. Ihre Lichtemission ist so intensiv, dass wir einzelne Farbzentren in konfokaler Laser-Fluoreszenzmikroskopie sehen.  Das bekannteste Farbzentrum ist das sog. NV (nitrogen vacancy) Zentrum in Diamant, das aus einem Stickstoff-Atom und einer Fehlstelle besteht (siehe Abbildung).

Farbzentren sind vielseitige Sensoren: Sie reagieren empfindlich auf Magnetfelder, die Temperatur der Umgebung, elektrische Felder, optische Nahfelder und Verspannungen im Kristall. Je nach Ausrichtung des Elektronenspins ändert sich die Helligkeit des Farbzentrums. Mit Hilfe dieser Spin-abhängigen Fluoreszenz messen wir optisch den Spin-Zustand.

Wie erforschen Farbzentren als atomar kleine Sensoren, mit denen sehr hochauflösende Abbildungen möglich sind. Gleichzeit können wir Quanteneigenschaften der Farbzentren z.B. ihre Kohärenz benutzen um sehr emffindliche Sensoren zu realisieren.

Literatur:

Review Sensorik mit Farbzentren: M. Radtke, E. Bernardi, A. Slablab, R. Nelz and E. Neu, Nanoscale sensing based on nitrogen vacancy centers in single crystal diamond and nanodiamonds: achievements and challenges, Nano Futures 3(4), 042004 (2019), View the review online

BMBF-Projekt DiaNanoRa: Rastersonden für die Lebenswissenschaften

Um die Farbzentren bestmöglich zu nutzen,  bringen wir sie in Rastersonden aus einkristallinem Diamant ein. Eine solche Rastersonde besteht aus einem Diamant-Nanodraht (200 nm Durchmesser) auf einer Halteplattform (siehe Abbildung). Wie erzeugen Farbzentren nahe der Endfacette des Nanodrahts. So bringen wir das Farbzentrum sehr nahe an die Probe, der Nanodraht kanalisiert die Emission des Farbzentrums so, dass wir diese effizinent mit unserem Mikroskop sammeln.

Wir fertigen unsere Rastersonden durch Nanofabrikation in hochreinen, synthetischen Diamanten. Zum Abtasten einer Probe benutzen wir einen selbstgebauten Aufbau aus Rasterkraftmikroskop und konfokalem Mikroskop.  Mit dem Rasterkraftmikroskops wird die Sonde sehr nahe bzw. in Kontakt mit der Probe verfahren. In den Lebenswissenschaften werden Farbzentren so zu vielversprechenden Sensoren für elektrische Ströme und Nahfelder z.B. von fluoreszenten Markern.

Um die Wechselwirkung von NV Zentren mit anderen fluoreszenten Systemen zu untersuchen haben wir ein 2dimensionales Material auf Diamant aufgebracht und den Austausch von Energie zwischen den beiden Systemen untersucht.

Literatur:

Technologie Diamant-Rastersonden: M. Radtke, R. Nelz, A. Slablab and E. Neu, Reliable Nanofabrication of Single-Crystal Diamond Photonic Nanostructures for Nanoscale Sensing, Micromachines 10(11), 718 (2019), View online

Nahfeldwechselwirkung von NV Zentren: R. Nelz, M. Radtke, A. Slablab, Z.‐Q. Xu, M. Kianinia, C. Li, C. Bradac, I. Aharonovich and E. Neu, Near‐Field Energy Transfer between a Luminescent 2D Material and Color Centers in Diamond, Advanced Quantum Technologies 1900088 (2019), View paper

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