Einzelne Atome im Visier

Die Kernspinresonanz-Spektroskopie – kurz NMR-Spektroskopie – ist eine der wichtigsten physikalisch-chemischen Untersuchungsmethoden. Damit lässt sich beispielsweise die Struktur und die Dynamik von Molekülen präzise bestimmen. Wie wichtig die Methode für die Wissenschaft ist, zeigt sich auch daran, dass die beiden letzten Nobelpreisträger der ETH Zürich, Richard Ernst und Kurt Wüthrich, 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, die einem Magnetfeld ausgesetzt sind, zu präzessieren. Dabei entsteht ein elektromagnetisches Signal, das von aussen mit einer Induktionsspule gemessen werden kann.

Massiv höhere Auflösung

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 sie nutzten den benachbarten Elektronenspin einer Gitterfehlstelle des Diamanten – einem sogenannten NV-Zentrum – als Sensor. «Wir nutzen also ein zweites Quantensystem, um das Verhalten des ersten Quantensystems zu untersuchen», bringt Kristian Cujia, Doktorand in Degens Gruppe, das Prinzip auf den Punkt. «Damit haben wir ein sehr empfindliches Messsystem geschaffen.»

Grosses Potenzial für künftige Anwendungen

Quantensysteme sind heikle Objekte, da man bei einer Messung immer auch das zu beobachtende System beeinflusst. Deshalb konnten die Forscher das Verhalten des Kohlenstoffspins nicht kontinuierlich verfolgen, da sich sonst die Präzessionsbewegung zu stark verändert hätte. Sie entwickelten deshalb 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», hält Degen fest. «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.»

Diese Arbeit wurde im Rahmen des Nationalen Forschungsschwerpunkts Quantum Science and Technology (NCCR QSIT) durchgeführt.