Wetenschappers van het Zwitserse Nanoscience Institute en de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Basel hebben een nieuwe methode ontwikkeld waarmee ze voor het eerst magnetische velden op nanometerschaal kunnen afbeelden bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt. Ze gebruikten spins in speciale diamanten als kwantumsensoren in een nieuw soort microscoop om met ongeëvenaarde precisie beelden van magnetische velden in supergeleiders te genereren. Zo konden de onderzoekers metingen doen die nieuwe inzichten in de vastestoffysica mogelijk maken, zoals ze rapporteren in Natuur Nanotechnologie .

Onderzoekers in de groep onder leiding van de Georg-H. Endress-hoogleraar Patrick Maletinsky doet al enkele jaren onderzoek naar zogenaamde stikstof-vacaturecentra (NV-centra) in diamanten om ze te gebruiken als uiterst nauwkeurige sensoren. De NV-centra zijn natuurlijke defecten in het diamantkristalrooster. De elektronen in de NV's kunnen worden geëxciteerd en gemanipuleerd met licht, en reageren gevoelig op elektrische en magnetische velden waaraan ze worden blootgesteld. Het is de spin van deze elektronen die verandert afhankelijk van de omgeving en die met verschillende meetmethoden kan worden vastgelegd.

Maletinsky en zijn team zijn erin geslaagd om enkele NV-spins aan de uiteinden van atoomkrachtmicroscopen te plaatsen om magnetische veldbeeldvorming op nanoschaal uit te voeren. Tot dusver, dergelijke analyses zijn altijd bij kamertemperatuur uitgevoerd. Echter, talrijke toepassingsgebieden vereisen werking bij temperaturen dichtbij het absolute nulpunt. Supergeleidende materialen, bijvoorbeeld, ontwikkelen hun bijzondere eigenschappen pas bij zeer lage temperaturen rond -200°C. Ze geleiden dan elektrische stromen zonder verlies en kunnen exotische magnetische eigenschappen ontwikkelen met de vorming van zogenaamde wervels.

Voor het eerst bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt

In hun krant de wetenschappers gebruikten hun nieuwe microscoop voor het eerst met succes onder cryogene omstandigheden bij temperaturen van ongeveer 4 Kelvin (~ -269 ° C). Ze waren in staat magnetische strooivelden van wervelingen in een hoge temperatuur supergeleider in beeld te brengen met een tot nu toe ongeëvenaarde precisie.

De resulterende ruimtelijke resolutie van 10 nanometer is één tot twee magnitudes beter dan die verkregen met alternatieve methoden. Dit maakt voor het eerst een eenduidige en kwantitatieve analyse van belangrijke materiaalparameters mogelijk, zoals de magnetische penetratiedieptes van de supergeleidende sonde - een van de fundamentele kenmerken van een supergeleider.

"Onze bevindingen zijn niet alleen van belang voor kwantumsensortechnologie en supergeleiding, " zegt Patrick Maletinsky, commentaar op het papier, "op de lange termijn zullen ze ook invloed hebben op de vastestoffysica en, met verdere verbeteringen in gevoeligheid, ze kunnen zelfs toepassingen in de biologie mogelijk maken."