Forschende der Technischen Universität München und des MCQST haben eine neue Klasse von Quantensensoren vorgestellt, die auf Spin-Defekten in Bornitrid-Nanoröhren (BNNTs) basieren und einen wichtigen Schritt in Richtung chemischer und magnetischer Sensorik bei Raumtemperatur darstellen. Durch die Nutzung der einzigartigen Geometrie von BNNTs in Verbindung mit den optischen und Spin-Eigenschaften ihrer Defekte hat das Team eine Quantensensorik-Plattform mit großer spezifischer Oberfläche entwickelt, die für den Einsatz in flüssigen Umgebungen geeignet ist. Die Ergebnisse wurden in Nature Communications veröffentlicht.

Optisch aktive Spin-Defekte in Festkörpermaterialien sind atomare Defekte, die elektronische Spins beherbergen, welche wiederum als lokalisierte und steuerbare Qubits fungieren. Diese bieten gleichzeitig eine geeignete Spin-Photon-Schnittstelle, die eine optische Auslesung des Spin-Zustands ermöglicht. Diese Systeme haben sich als vielversprechende Plattform für die Quantensensorik bei Raumtemperatur etabliert, wobei Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamant seit Langem als Referenzsystem dienen.

Die Ausweitung der spinbasierten Quantensensorik auf alternative Materialplattformen ist unerlässlich, um neue Sensorgeometrien, einen verbesserten Zugang zu Analyten und skalierbare Architekturen zu ermöglichen.

In den letzten Jahren haben Van-der-Waals-Materialien wie hexagonales Bornitrid als Wirte für optisch aktive Spindefekte zunehmend Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Allerdings schränken planare zweidimensionale Systeme von Natur aus die Zugänglichkeit der Oberfläche und das Interaktionsvolumen ein, wodurch ihre Anwendbarkeit in chemischen und biologischen Umgebungen eingeschränkt ist.

Eine auf Nanoröhren basierende Quantensensorik-Plattform

In der neuen Studie stellt das Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Roberto Rizzato aus der Quantensensorik Gruppe von Prof. Dominik Bucher an der TUM Bornitrid-Nanoröhren als eine grundlegend neue Quantensensorik-Architektur vor. BNNTs kombinieren die günstigen optischen und Spin-Eigenschaften von Bornitrid mit einer hohlen zylindrischen Geometrie, die eine große und zugängliche Oberfläche bietet. Entscheidend ist, dass die Spin-Defekte in BNNTs eine isotrope Spin-½-Magnetantwort zeigen, was eine Quantenkontrolle unabhängig von der Ausrichtung des Nanoröhrchens in Bezug auf ein externes Magnetfeld erlaubt. Dies ermöglicht die Verwendung von zufällig ausgerichteten Nanoröhrchen-Ensembles, die netzartige Sensorstrukturen bilden, und sich gut für die Interaktion mit Flüssigkeiten und komplexen chemischen Umgebungen eignen.

Erweiterung der Kohärenz und Ermöglichung der Sensorik

Um das Sensormodell dieser Spin-Defekte zu erschließen, wandte das Team fortschrittliche Spin-Kontrolltechniken an, darunter dynamische Entkopplungssequenzen, um die Spin-Kohärenzzeiten um mehr als zwei Größenordnungen zu verlängern und die Erkennung von Hochfrequenzsignalen mit hoher spektraler Auflösung zu ermöglichen. Darüber hinaus demonstrierten die Forscher die empfindliche Erkennung paramagnetischer Ionen in Lösung bei mikromolaren Konzentrationen und erreichten dabei Sensorempfindlichkeiten, die fast drei Größenordnungen besser waren als bei zuvor beschriebenen Bornitrid-Plattformen.

Ausblick und zukünftige Anwendungen

Spin-Defekte in Bornitrid-Nanoröhren ermöglichen Anwendungen, die mit bestehenden Festkörper-Quantensensoren nur schwer zu realisieren sind. BNNTs könnten als nanoskalige Quantensensoren in Flüssigkeiten oder dynamischen und ungeordneten Umgebungen eingesetzt werden, was für die Chemie, Biologie und Energietechnologie von entscheidender Bedeutung ist. Sie können Quantensensorik mit Nanofluidik- und Nanoporen-Technologien kombinieren. In größerem Maßstab könnten BNNT-Netzsensoren die Echtzeitüberwachung von Schadstoffen im Wasser ermöglichen. Des Weiteren machen ihre große zugängliche Oberfläche BNNTs zu vielversprechenden Kandidaten für die Hyperpolarisation von Kernspins bei Raumtemperatur und ebnen den Weg für kompakte und skalierbare quantenverstärkte NMR-Technologien. Roberto Rizzato erhielt kürzlich einen ERC Consolidator Grant, um diese Technologie für Hyperpolarisation und nanoskalige Magnetresonanz weiterzuentwickeln.

Publikation
R.Rizzato, A. A. Hidalgo, L. Nie, E. Blundo, N.R. von Grafenstein, J. J. Finley & D.B. Bucher. Quantum sensing with spin defects in boron nitride nanotubes. Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-025-67538-2

Originalartikel (in Englisch): https://www.mcqst.de/news-and-events/news/spin-based-quantum-technology-in-a-1d-material.html