Quantensensoren in den Material- und Lebenswissenschaften und der Chemie
Magnetische Momente (Spins) als Sensoren
Wie erforschen Punktdefekte in Kristallen z.B. einzelne Verunreinigungsatome: Sie absorbieren und emittieren Licht wie Atome sind aber im Festkörper gefangen ("künstliche Atome"). Eine hohe Dichte solcher Defekte färbt durchsichtige Kristalle daher der Name: Farbzentren. Gebundene Elektronen sorgen für magnetische Momente (Spins). Unsere Farbzentren sind über lange Zeit stabil und ihre Lichtemission ist so intensiv, dass wir einzelne Farbzentren im konfokalen Laser-Fluoreszenzmikroskop sehen. Das bekannteste Farbzentrum ist das sog. NV (nitrogen vacancy) Zentrum in Diamant, das aus einem Stickstoff-Atom und einer Fehlstelle besteht. In einem 2026 gestarteten GEQS Projekt der Carl-Zeiss-Stiftung arbeiten wir daran neuartige Quantensensoren aus Proteinen zu untersuchen.
Farbzentren sind vielseitige Sensoren: Sie reagieren empfindlich auf Magnetfelder, auf das Rauschen anderer Spins, die Temperatur, elektrische Felder, optische Nahfelder und Verspannungen im Kristall. Je nach Ausrichtung des Spins ändert sich die Helligkeit des Farbzentrums, so messen wir die Reaktion des Spins.
Wie erforschen Farbzentren als atomar kleine Sensoren, mit denen sehr hochauflösende Abbildungen möglich sind. Dazu müssen die Farbzentren in einer Struktur sitzen, die ähnlich zur Spitze eines Rasterkraftmikroskops ist. Gleichzeit können wir Quanteneigenschaften der Farbzentren z.B. ihre Kohärenz benutzen um sehr empfindliche Sensoren zu realisieren.
Seit November 2023 haben wir, finanziert durch eine Großgeräteinitiative im FB Physik der RPTU ein NV-Rastersonden-Magnetometer mit dem z.B. nanoskalige magnetische Strukturen untersucht werden.
Literatur:
Kristin E. J. Kühl, Katharina Rediger, Nikhita Khera, Ephraim Spindler, Gereon Niedner-Schatteburg, Elke Neu, Mathias Weiler, Georg von Freymann, Direct Laser Writing of Ferromagnetic Nickel Utilizing the Principle of Sensitized Triplet-Triplet Annihilation Upconversion, accepted for publication in ACS Applied Materials & Interfaces, arXiv:2603.09871, View the paper online
Ephraim Spindler, Vinayak Shantaram Bhat, Elke Neu, Mathias Weiler, M. Benjamin Jungfleisch, Nanoscale Dipolar Fields in Artificial Spin Ice Probed by Scanning NV Magnetometry, arXiv:2509.02233, View the paper online
Neuartige Sensorik Ansätze: Radikale in Lösung und „natürliche Partner“ für unsere Sensoren
Wir arbeiten daran, die Einsatzmöglichkeiten von Quantensensoren zu erweitern. Dazu erforschen wir z.B. gemeinsam mit der Arbeitsgruppe von Maria Wächtler an der CAU Kiel(Link zur Gruppe von Maria) wie unsere Quantensensoren Radikale in chemischen Reaktionen nachweisen können. Dazu müssen Diamant Nanopartikel in die chemischen Reaktionsgefäße („Küvetten“) gebracht werden.
Zusätzlich schauen wir uns neue Wechselwirkungen der Quantensensoren an, dazu haben wir z.B. unsere Quantensensoren mit Chlorophyll Molekülen in optische Wechselwirkung gebracht und arbeiten dazu mit der Arbeitsgruppe von Stephanie Müller-Schüssele an der RPTU zusammen (Link ).
Literatur:
Sebastian Westrich, Nimba Oshnik, Nina Thiele, Nina Burmeister, Yanis Abdedou, Nikhita Khera, Stefanie J. Müller-Schüssele, Elke Neu, FRET Between NV Centers In Diamond And Chlorophyll Molecules: A Novel Resource For Multimodal Sensing And Imaging In Plant Cells, Advanced Optical Materials (2026): e00003, View the paper online
Emma Herbst, Sebastian Westrich, Alena Erlenbach, Jonas Gutsche, Maria Wächtler, Elke Neu, Towards Application of Nanodiamonds for in-situ Monitoring of Radicals in Liquid Phase Chemical Reactions, arXiv:2604.19433, View the paper online
Neue Quantensensoren
Obwohl unsere Diamant-Quantensensoren vielseitig einsetzbar sind, muss immer ein Diamant, also ein Fremdkörper z.B. in eine Zelle eingebracht werden. Hier setzt unser neuestes Projekt GEQS „Genetically encoded quantum sensors“ an: Kürzlich wurde gezeigt, dass Spins in fluoreszierenden Proteinen ähnliche Eigenschaften haben können wie Diamant Quantensensoren. Die Proteinen können genetisch codiert werden, so dass die Zellen selbst die Quantensensoren herstellen.
