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Spektroskopie an einzelnen Atomen

Diamantfehlstellen als NMR-Sensor

| Autor/ Redakteur: Dr. Felix Würsten* / Christian Lüttmann

Dank der NMR-Spektroskopie lässt sich heute die Struktur von Molekülen relativ leicht anhand einer Probe mit ausreichender Analytkonzentration bestimmen. Forscher der ETH Zürich haben die Methode nun auf ein neues Level gebracht: Mit ihrer Technik soll sogar die Spektroskopie einzelner Atome möglich sein. Welche Rolle Diamanten dabei spielen, erfahren Sie im Folgenden.

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Um die Präzession eines Kohlenstoffkerns zu messen, nutzten ETH-Physiker den Elektronenspin einer benachbarten Gitterfehlstelle als Sensor.
Um die Präzession eines Kohlenstoffkerns zu messen, nutzten ETH-Physiker den Elektronenspin einer benachbarten Gitterfehlstelle als Sensor.
(Bild: ETH Zürich / Jan Rhensius, Kristian Cujia)

Zürich/Schweiz – Die Kernspinresonanz-Spektroskopie – kurz NMR-Spektroskopie – ist eine der wichtigsten physikalisch-chemischen Untersuchungsmethoden. Mit ihr lässt sich beispielsweise die Struktur und die Dynamik von Molekülen präzise bestimmen. Wie wichtig die Methode für die Wissenschaft ist, zeigt sich auch an den ETH-Nobelpreisträgern Richard Ernst und Kurt Wüthrich, die 1991 beziehungsweise 2002 für Weiterentwicklungen dieser Methode ausgezeichnet wurden.

Die Technik beruht auf der magnetischen Kernresonanz. Dabei macht man sich zunutze, dass gewisse Atomkerne mit einem Magnetfeld wechselwirken. Eine wichtige Größe ist dabei der Kernspin. Er ist vergleichbar mit der Rotationsachse eines Kinderkreisels. Ähnlich wie wenn ein Kreisel zu taumeln beginnt – Fachleute sprechen von Präzession – beginnen auch Kernspins in einem Magnetfeld zu präzessieren. Dabei entsteht ein elektromagnetisches Signal, das von außen mit einer Induktionsspule gemessen werden kann.

NMR-Messung dank Hilfe aus der Nachbarschaft

Forschern aus der Gruppe von Christian Degen, Professor für Festkörperphysik an der ETH Zürich, haben nun einen neuen Ansatz entwickelt, mit dem es erstmals möglich wird, die Präzession eines einzelnen Kernspins direkt zu verfolgen. Zum Vergleich: Bei herkömmlichen NMR-Messungen sind je nach Situation mindestens 1012 bis 1018 Atomkerne notwendig, damit überhaupt ein Messsignal registriert werden kann.

In ihrer Arbeit untersuchten die ETH-Forschenden das Verhalten von Kohlenstoff-13-Atomen in Diamanten. Dabei maßen sie die Präzession des Kohlenstoffkerns nicht auf herkömmliche Weise, sondern nutzten den benachbarten Elektronenspin einer Gitterfehlstelle des Diamanten – einem so genannten NV-Zentrum – als Sensor. „Wir nutzen also ein zweites Quantensystem, um das Verhalten des ersten Quantensystems zu untersuchen“, fasst Kristian Cujia, Doktorand in Degens Gruppe, das Prinzip zusammen. „Damit haben wir ein sehr empfindliches Messsystem geschaffen.“

Serienmessung trickst Quantensystem aus

Quantensysteme sind allerdings heikle Objekte, da Beobachter bei einer Messung immer auch das zu beobachtende Quantensystem beeinflussen. Deshalb konnten die Forscher das Verhalten des Kohlenstoffspins nicht kontinuierlich verfolgen, da sich sonst die Präzessionsbewegung zu stark verändert hätte. Sie entwickelten ein spezielles Messverfahren, bei dem der Spin des Kohlenstoffatoms durch eine Serie von kurz aufeinanderfolgenden schwachen Messungen erfasst wird. Dadurch wurde es möglich, den Einfluss der Beobachtung so gering zu halten, dass das System nicht messbar beeinflusst wird und die ursprüngliche Kreisbewegung immer noch erkennbar bleibt.

„Unsere Methode öffnet den Weg für eine bemerkenswerte Weiterentwicklung der NMR-Technologie“, sagt Degen. „Wir sind damit potenziell in der Lage, direkt Spektren von einzelnen Molekülen aufzunehmen und Strukturen auf atomarer Ebene zu analysieren.“ Als erstes Beispiel haben die Physiker die dreidimensionale Lage der Kohlenstoffkerne im Diamantgitter mit atomarer Auflösung bestimmt. Die Physiker sehen in dieser Entwicklung viel Potenzial. „Derart detaillierte NMR-Messungen könnten in vielen Bereichen zu völlig neuen Einsichten führen, so wie dies durch die herkömmliche NMR-Spektroskopie in den letzten Jahrzehnten bereits geschehen ist.“

Originalpublikation: Cujia KS, Boss JM, Herb K, Zopes J, Degen CL: Tracking the precession of single nuclear spins by weak measurements, Nature, 24. Juni 2019. DOI: 10.1038/s41586-019-1334-9

* Dr. F. Würsten, ETH Zürich, 8092 Zürich

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