Fedor Jelezko

Fedor Jelezko
„Quantensensoren: Neue Möglichkeiten für Forschung und Alltag"
Sitzung der Mathematisch-naturwissenschaftlichen Klasse am 13. Oktober
2023
Quantensensoren nutzen die Quanteneigenschaften von Licht und Materie, um
eine höhere Präzision zu erreichen, als dies mit klassischen Sensoren möglich ist.
In diesem Vortrag wurden die Grundprinzipien der Quantensensorik und Quan-
tenmetrologie vorgestellt. Kohärente und verschränkte Zustände, die sehr emp-
findlich auf externe Einflüsse reagieren, sind wesentliche Bestandteile für diese
Art der Sensorik. Es wurde auch gezeigt, wie diese Sensoren im täglichen Leben
eingesetzt werden können. Anhand mehrerer Beispiele wurden Anwendungen in
der Analytik und im Gesundheitswesen sowie in den Bereichen Mobilität und
Nachhaltigkeit vorgestellt.
Anwendungen von Spin Quantensensoren für Biologie und Medizin wur-
den ausführlich dargestellt. Bildgebungs- und Strukturbestimmungsmethoden
auf molekularer Ebene wie Röntgenbeugung, NMR-Spektroskopie, Elektronen-
mikroskopie und Rastertunnelmikroskopie spielen eine zentrale Rolle für den
wissenschaftlichen Fortschritt in verschiedenen Wissenschaftsdisziplinen. Die
meisten derzeit verfügbaren Techniken, die eine atomare Auflösung erreichen
können, sind auf niedrige Temperaturen, Vakuumbedingungen oder durch die
Präsenz von Kristallen und/oder der Größe von Probenmengen beschränkt. Die-
se Anforderungen schränken ihre potenzielle Wirkung insbesondere im Bereich
der Biowissenschaften ein, wo die optische Einzelmolekülspektroskopie und die
Rasterkraftmikroskopie die einzigen Methoden sind, die Einblick in die Molekül-
struktur gewähren, obwohl ihre Auflösung nicht ausreicht, um einzelne Atome zu
erkennen.
Quantensensoren, die auf der spin-abhängigen Photolumineszenz von Stick-
stoff-Vakanz-Zentren (NV-Zentren) in Diamanten basieren, bieten ein großes
Potenzial für die Bildgebung mit atomarer Auflösung. Die Verwendung der Quan-
tensensorik in Diamanten verspricht eine Lösung für das seit langem bestehen-
de Ziel, Einzelmoleküle mit atomarer Auflösung unter Umgebungsbedingungen
nachzuweisen. Gegenwärtig gibt es keine andere Technik, die solche Möglichkei-
ten bietet. Daher ist diese Technik von potenziell großer Bedeutung für das Ver-
ständnis von Biomolekülen in ihrer natürlichen Umgebung und von wesentlichen
biologischen Prozessen.
Quantensensoren aus Diamanten können durch die Implantation von Farb-
zentren sowohl in Bulk-Diamanten als auch in Diamant-Nanopartikeln hergestellt
werden. Als Bulk-Diamanten bezeichnet man Diamantkristalle mit Abmessungen
im Mikrometer- bis Millimeterbereich, die sich ideal für die Entwicklung von In-

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