Auf dem Weg zu Quantensensorik auf ultrakurzen Zeitskalen

Die Quantensensorik nutzt die außergewöhnliche Empfindlichkeit quantenmechanischer Systeme, um physikalische Veränderungen mit höchster Präzision zu messen. Eine der spannendsten Methoden auf diesem Gebiet basiert auf Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (NV-Zentren) in Diamanten einer speziellen Art von Spin-Defekten im Diamantengitter. Diese NV-Zentren können kleinste Veränderungen in elektromagnetischen Feldern mit außergewöhnlicher Empfindlichkeit und einer sehr hohen räumlichen Auflösung (im Nanometerbereich) unter verschiedensten Umgebungsbedingungen messen. Dadurch hat sich die NV-basierte Sensorik in Bereichen wie Physik, Biologie, Chemie und Quanteninformatik als äußerst nützlich erwiesen. Wie viele quantensensorische Techniken haben NV-Zentren jedoch eine Einschränkung: Sie können Prozesse, die sich auf ultraschnellen Zeitskalen abspielen, nicht in Echtzeit erfassen. Derzeitige NV- basierte Sensoren sind nur in der Lage, Veränderungen im Nanosekundenbereich (Milliardstel einer Sekunde) zu registrieren. Diese Zeitskala reicht jedoch nicht aus, um viele ultraschnelle natürliche Prozesse zu beobachten wie Vibrationen in Festkörper, schnelle chemische Reaktionen oder elektronische Phasenübergänge die typischerweise innerhalb von Femtosekunden (fs, millionstel Milliardstel einer Sekunde) oder noch schneller ablaufen. In unserem Projekt wollen wir diese Barriere überwinden und die NV-basierte Sensorik auf ultraschnelle Zeitskalen bringen, indem wir ihre zeitliche Auflösung um mehr als das 100.000-fache verbessern. Durch die Kombination von Femtosekundenlasern mit Mikrowellentechnologie wollen wir schnelle Veränderungen in Materialien auslösen und diese Ereignisse mit einer "Quantum Lock-In"-Technik erfassen. Zunächst werden wir unseren Ansatz an einem dünnen ferromagnetischen Film testen, indem wir beobachten, wie sich dieser nach Anregung mit einem Femtosekunden-Laserpuls bei ultraschnellen Geschwindigkeiten entmagnetisiert. Anschließend werden wir die Methode nutzen, um das einzigartige magnetische Verhalten von 2D-Materialien zu erforschen, bei dem die magnetischen Phasen durch Exzitonen beeinflusst werden (Quasiteilchen, bestehend aus einem Elektronenloch und einem Elektron, die durch die Coulomb-Wechselwirkung stabilisiert werden). Unsere Arbeit verbindet das Feld der ultraschnellen Spektroskopie die extrem schnelle Umwandlungen in Materie in Echtzeit untersucht mit dem der Quantensensorik. Diese neue Methode wird es uns ermöglichen, flüchtige elektromagnetische Veränderungen und elektrische Ströme in Echtzeit und auf sehr kleinen räumlichen Skalen festzuhalten. Dieser Ansatz könnte zu neuen Erkenntnissen in so unterschiedlichen Bereichen wie Materialwissenschaften, Elektronik, Chemie und sogar Biologie führen und eröffnet eine neue Möglichkeit, Licht-Materie-Wechselwirkungen und die grundlegenden Mechanismen vieler natürlicher und technologischer Prozesse zu untersuchen.