WÜRZBURG / LONDON (IT BOLTWISE) – Forscher der Universität Würzburg haben einen bedeutenden Fortschritt in der Quantensensorik erzielt. Durch die Untersuchung der Quantendynamik in einer zweidimensionalen Schicht von Bornitrid konnten sie die Präzision atomarer Sensoren erheblich steigern. Diese Erkenntnisse könnten die medizinische Diagnostik revolutionieren und neue Anwendungen in der Quantentechnologie ermöglichen.
Die Quantensensorik erlebt derzeit einen bedeutenden Fortschritt, der von einem Forscherteam der Universität Würzburg vorangetrieben wird. Im Mittelpunkt steht die Untersuchung der Quantendynamik in einer zweidimensionalen Schicht von Bornitrid, die als Grundlage für zukünftige Anwendungen in der Quantentechnologie dient. Diese Forschungsergebnisse könnten die Präzision atomarer Sensoren erheblich steigern und neue Möglichkeiten in der medizinischen Diagnostik eröffnen.
Ein zentrales Element für die Leistungsfähigkeit von Quantensensoren ist die Geschwindigkeit, mit der das System nach einer Störung in seinen Ausgangszustand zurückkehrt. Dies entspricht dem Übergang von Elektronen aus einem energetisch angeregten in den Grundzustand. Die Forscher der Julius-Maximilians-Universität Würzburg haben diese sogenannte ‘Wartezeit’ in einem zweidimensionalen Material direkt gemessen. Diese beträgt exakt 24 Milliardstel Sekunden, was eine erhebliche Verbesserung der Genauigkeit atomarer Sensoren ermöglicht.
In der modernen Quantentechnologie bilden atomare Fehlstellen in Festkörpern die Grundlage für präzise Messinstrumente. Während Diamant lange Zeit als Standardmaterial galt, bietet das von den Würzburger Forschern untersuchte hexagonale Bornitrid (hBN) entscheidende Vorteile. Es ermöglicht eine präzise Positionierung von Spin-Defekten innerhalb einer dünnen Schicht, was eine stärkere Wechselwirkung mit dem Messobjekt erlaubt. Insbesondere die negativ geladenen Bor-Fehlstellen sind vielversprechend, da sie auch bei Raumtemperatur optisch adressierbar sind.
Die Geschwindigkeit, mit der das System nach einer optischen Anregung in seinen Grundzustand zurückkehrt, ist ein entscheidender Faktor. Ein metastabiler Zwischenzustand, in dem Elektronen kurzzeitig verharren, begrenzt die Abfolge der Messzyklen. Die direkte experimentelle Messung der Lebensdauer dieses Zustands ist ein bedeutender Fortschritt, da sie eine verlässliche Grundlage bietet, um die Ansteuerung der Sensoren exakt auf die natürliche Dynamik des Materials abzustimmen.
Die Forscher konnten nachweisen, dass ein optimiertes Zeitmanagement die Effizienz der Steuerung signifikant steigert. Durch das Einfügen einer gezielten Verzögerung zwischen der Laseranregung und einer Manipulation durch Mikrowellen wurde sichergestellt, dass das ‘Wartezimmer’ des Zwischenzustands vollständig geleert ist und alle Elektronen für die Messung im Grundzustand bereitstehen. Dies führte zu einer Verbesserung der Sensitivität des Gesamtsystems um etwa elf Prozent.
Die gewonnenen Erkenntnisse sind ein wichtiger Schritt für die Weiterentwicklung quantensensorischer Technologie auf Basis von 2D-Materialien. Trotz dieser Fortschritte bleiben technologische Herausforderungen bestehen, insbesondere die komplexe magnetische Umgebung in hBN, die die Kohärenzzeit der Sensoren verkürzt. Künftige Forschungsarbeiten müssen daher Wege finden, diese Umgebungsstörungen weiter zu minimieren.
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