Die Messung eines einzelnen magnetischen Moments: Neue Quanten-Professur in Dresden gestartet

Aparajita Singha ist Expertin für Magnetometrie und damit für hochempfindliche Techniken, die Magnetfelder ausmessen. So kann die Festkörperphysikerin die kleinsten magnetischen Signale in Quantenmaterialien identifizieren. Was sie dafür braucht, ist ein Diamant mit Fehlern. Solche atomaren Defekte von Diamanten (NV-Zentren) werden ebenfalls von der weltweiten Quanten-Industrie genutzt. Singhas Forschung schafft die Grundlage für zukünftige Quantentechnologien. Ihre Professur für „Nanoskalige Quantenmaterialien“ des Würzburg-Dresdner Exzellenzclusters ctd.qmat – Complexity, Topology and Dynamics in Quantum Matter ist jetzt an der TU Dresden gestartet.

Die Messung des kleinsten Magneten der Welt
Auf der Ebene der Atome wirbeln Elementarmagnete – die Elektronenspins. Ihre Ausrichtung nach oben oder unten ist eine Information. Klassische Halbleiter-Informationstechnologien basieren nur auf der Verarbeitung von 0 und 1. Neue Technologien wie QuBits bekommen Quantenpower, weil sich jeder Spin in einem Überlagerungszustand befinden, also 0 und 1 zugleich sein kann. Dadurch steigt die Leistungsfähigkeit der Informationsverarbeitung exponentiell. An dieser Quantenpower arbeitet die weltweite Forschung und die Industrie steht in den Startlöchern.

Aparajita Singha ist Expertin für Magnetometrie und misst das magnetische Moment eines einzelnen Atoms. Dafür braucht sie ein Magnetometer, eine Probe und einen speziellen Sensor. „Um die Information, die in einem Spin steckt, auslesen zu können, muss man ihn zunächst erst einmal messen“, erklärt Singha. „Meine Leidenschaft für Quantensensoren begann, als ich mich fragte, ob ich den kleinsten Magneten der Welt wirklich ausmessen kann.“ Das war vor fünf Jahren, als Singha von Südkorea nach Stuttgart wechselte. Jetzt hat sie die Professur für Nanoskalige Quantenmaterialien des Würzburg-Dresdner Exzellenzclusters ctd.qmat am Standort Dresden angetreten und Großes vor: „In den nächsten fünf Jahren möchte ich gemeinsam mit meinem Team den kleinsten Magneten der Welt messen – und zwar bei Raumtemperatur. Das hat bisher noch niemand geschafft.“

Nichts geht ohne Diamanten
Kern von Singhas Messtechnologie ist ein Diamant, den sie als Quantensensor nutzt: „Kein Diamant ist perfekt. Die natürlichen Diamanten funkeln sogar schöner, je mehr Fehler sie in ihrer chemischen Struktur haben. Diese Fehler nutzen wir als Werkzeug für unsere Forschung.“ Dafür werden im Labor genau zwei Fehler in einen synthetischen Diamanten geschleust: Zunächst entfernt man zwei Kohlenstoffatome aus dem Diamant-Gitter. Anschließend wird eine Fehlstelle mit einem Stickstoffatom besetzt, die andere bleibt leer. Diese beiden Fehlstellen bilden zusammen das NV-Zentrum bzw. Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (nitrogen-vacancy center), das als Sensor fungiert. „Je nachdem, welches Licht unser Diamantsensor emittiert, wissen wir, wie stark die magnetischen Momente unseres Quantenmaterials sind“, so Singha.

Der heilige Gral: Messungen bei Raumtemperatur
Noch braucht Singha tiefe Temperaturen, um ein einzelnes magnetisches Moment zu messen. Das soll sich in den nächsten Jahren ändern. Dann sollen diese Messungen bei Raumtemperatur möglich sein. Hierfür muss Singha ihre Technologie weiterentwickeln, sowohl die Oberfläche des Diamanten, also des Sensors, wie auch das Materialsystem selbst. „Das muss in absolut reiner Umgebung stattfinden, rein wie der Weltraum“, beschreibt sie. „Nur im Ultrahochvakuum kann diese Präzision erreicht werden.“

Üblicherweise werden Quantenmaterialien unter extremen Laborbedingungen untersucht – ultratiefe Temperaturen, enormer Druck, superstarke Magnete. Singhas Methode ist die einzige Technologie, die auch bei Raumtemperatur funktionieren kann: „Aktuell messen wir die Magnetfelder einzelner Atome noch bei -269,15 Grad Celsius (4 K), schaffen bei Raumtemperatur aber schon 100 Atome. Unser Ziel ist die Einzelspin-Detektion. Danach richten wir unsere Forschung aus und entwicklen neue Diamanten.“

NV-Zentren als globaler Trend
Die Messung einzelner Spins ist sowohl für die Grundlagenforschung als auch für technologische Anwendungen hochrelevant. Die NV-Zentren als ultraempfindliche Sensoren werden schon heute weltweit eingesetzt. „Die Nutzung von NV-Zentren ist eine globale Entwicklung, die sich in Sachsen widerspiegelt. Beinahe alle sächsischen Quanten-Startups – darunter die des neuen sächsischen Quantennetzwerks SAX-QT – arbeiten mit Fehlstellen im Diamant. Daher freut uns ganz besonders, dass wir die Professur mit einer Expertin für diese Technologie besetzen konnten. Das bereichert unsere Forschungstätigkeit im Verbund mit Würzburg und gibt der hiesigen Industrie mehr Quantenpower“, kommentiert Matthias Vojta, Dresdner Sprecher des Exzellenzclusters ctd.qmat.

Neue Quanten-Professur für Dresden
Aparajita Singha hat in Kalkutta und Bombay (Indien) Physik studiert und anschließend in der Schweiz promoviert. Als Postdoc war sie sowohl in der Schweiz als auch in Südkorea tätig. 2020 ist sie an das Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart gewechselt. Dort begann sie, mit NV-Zentren in Diamanten zu arbeiten. Seit 2022 leitet Singha eine Emmy-Noether-Gruppe, die Quantensensoren erforscht. Am 01. Januar 2025 trat Aparajita Singha die Professur für Nanoskalige Quantenmaterialien des Exzellenzclusters ct.qmat am Standort Dresden an. Damit stärkt sie die Dresdner Quantenpower, die über das Exzellenzcluster ctd.qmat erfolgreich mit der Julius-Maximilians-Universität Würzburg verbunden ist. An ihrer Professur arbeiten zwei Postdocs, sechs Doktorand:innen und ein Techniker. Gemeinsam möchten sie den kleinsten Magneten der Welt messen – mit Diamanten und bei Raumtemperatur.

ctd.qmat
Das Exzellenzcluster ctd.qmat – Complexity, Topology and Dynamics in Quantum Matter (Komplexität, Topologie und Dynamik in Quantenmaterialien) der Julius-Maximilians-Universität Würzburg und der Technischen Universität Dresden erforscht und entwickelt neuartige Quantenmaterialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften. Etwa 300 Wissenschaftler:innen aus mehr als 30 Ländern entwerfen an der Schnittstelle von Physik, Chemie und Materialwissenschaften die Grundlagen für die Technologien der Zukunft. 2026 ist das Cluster in die 2. Förderperiode der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder gestartet – mit erweitertem Fokus auf die Dynamik von Quantenprozessen.

Kontakt
Prof. Aparajita Singha
Exzellenzcluster ctd.qmat
Institut für Festkörper- und Materialphysik
Technische Universität Dresden
Tel.: +49 351 463 42643
E-Mail:

Katja Lesser
Pressesprecherin & Leitung Kommunikation
Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster ctd.qmat
Tel.: +49 351 463 33496
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