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Diamond Materials

Diamond Materials for Quantum Application

23. September 2014: The DFG research group FOR 1493 “Diamond Materials and Quantum Applications” goes into its second funding period. FOR1493 is a national research consortium funded by the Deutsche Forsch-ungsgemeinschaft.

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Press reports

Quantenphysik trifft auf Industrie

Stuttgart Zeitung online, Christian J. Meier, 27.08.2014 06:00 Uhr

Der Physiker Tilman Pfau von der Uni Stuttgart schafft in seinem Laserlabor die Grundlage für miniaturisierte Messgeräte. Foto: Heinz Heiss

Stuttgart – Mit Quantenphysik hatte Norbert Frühauf bis vor zwei Jahren nichts am Hut. Das Metier des Elektroingenieurs sind neue Arten von Flachbildschirmen, die in zehn Jahren an Wohnzimmerwänden hängen, auf Büroschreibtischen stehen oder in Handtellern liegen sollen. Technische Umwälzungen plant Frühaufs Team auf dem Vaihinger Campus der Uni Stuttgart eher nicht.

Frühauf bekommt sein Forschungsgeld zu einem Großteil von der Industrie, und die investiert nicht in vage Zukunftsversprechen. Keine Sekunde Gedankenarbeit würde der energische Entwickler für etwas „Bizarres“ oder „Spukhaftes“ verschwenden. Doch genau so charakterisieren Physiker die Quantenphysik. Was hat die so fremde Welt der Atome, Elektronen und Lichtteilchen, dass sie Techniker wie Frühauf immer mehr in ihren Bann zieht?

Solche Quantenobjekte liefern ein Exklusivrecht auf faszinierende Effekte, die die herkömmliche Physik nicht auf Lager hat. Die Phänomene versprechen superschnelle Computer, abhörsichere Kommunikation und hyperfeine Sensoren….

….Mehr Sicherheit könnte auch der virtuelle Datenspeicher im Internet, die Cloud, durch Photonen gewinnen. Derzeit tragen Bits entweder den Wert „0“ oder den Wert „1“. Ein Photon hingegen kann jedoch beide Werte gleichzeitig speichern, es transportiert ein sogenanntes „Qubit“. Es könnte diese Qubits per Glasfaser an einen Quantencomputer liefern. Das ist ein noch hypothetischer Rechner, der Tausende von Qubits simultan verarbeiten kann. Er könnte simultan eine Unzahl von Lösungsmöglichkeiten für eine Aufgabe testen und im Handumdrehen zur Lösung gelangen…..

…Weil Qubits sehr empfindlich sind, gibt es noch keine Computer, die mit vielen Qubits arbeiten. Doch durch Nanotechnologie lassen sich robuste Qubits herstellen. Tilman Pfaus Kollege Jörg Wrachtrup pflanzt die Qubits beispielsweise in winzige Diamanten ein. Dort besteht das Qubit im Wesentlichen aus einem Loch im Kohlenstoffgitter des Diamanten, in dem sich ein Elektron befindet. „Der Diamant schirmt das Qubit von der Umwelt ab“, sagt Wrachtrup. Physiker von der Technischen Uni Wien haben sich nun ein Design überlegt, auf dessen Basis sich die Diamant-Qubits leicht verschalten lassen und das sich miniaturisieren und mit Massenfertigungsverfahren herstellen lässt. Eine Firma entwickelt auf der Grundlage von Wrachtrups Forschung einen Prototyp. Das Qubit im Diamanten kann nämlich höchstpräzisen Magnetfeldsensoren dienen.

Link (extern): Bericht in der Stuttgarter Zeitung

Nächster Schritt zum einsatzfähigen Quantencomputer

Universität Stuttgart, Presserbericht Nr. 14 vom 11. Februar 2013

Schematische Darstellung zweier Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamant (Abb.: Uni Stuttgart)

Veröffentlichung in Nature Physics: Quantenregister in Diamant

Quantencomputer sind der aktuelle Traum der Datenverarbeitung, denn sie berechnen komplexe Anwendungen wie beispielsweise die Zerlegung großer Zahlen in Primzahlen deutlich schneller als heutige „klassische“ Computer. Eine der entscheidenden Grundlagen hierfür ist die sogenannte „Verschränkung”. Dabei werden mehrere Quantenbits (Zweizustandssysteme) so miteinander verknüpft, dass die Untersuchung eines einzelnen Quantenbits augenblicklich Informationen über dessen Partner liefert und umgekehrt. Physikern der Universität Stuttgart ist es nun gemeinsam mit Partnern der Universitäten Ulm (Professor Fedor Jelezko/Institut für Quantenoptik), Bochum und Darmstadt sowie des Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt gelungen, ein Quantenregister aus mehreren Quantenbits zu erzeugen, das einerseits Informationen austauschen und andererseits diese Informationen auch für längere Zeit speichern kann. Die Ergebnisse sind ein erster Schritt, um die bisherige Begrenzung des Prozessors in Quantencomputern aufzuheben, und wurden in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift „Nature Physics“ veröffentlicht.*)

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Mit Diamant zum Supermikroskop

Universität Stuttgart, Presserbericht Nr. 11 vom 01. Februar 2013

(links) Computervisualisierung des Experiments zur Kernspin-Detektion (rechts) NMR-Sprektrum des detektieren Kerns in der Nachbarschaft des NV-Zentrums

Stuttgarter Physiker weisen Kernspinsignale in wenige Nanometer kleinem Öltropfen nach

Ein neuer Sensor aus Diamant ist klein und empfindlich genug, um das Kernspin-Magnetfeld eines wenige Nanometer kleinen Volumens nachzuweisen. Das berichten Physiker der Universität Stuttgart mit Beteiligung der Ruhr-Universität Bochum (RUB) und weiterer Partner sowie des IBM-Forschungszentrums Almaden/USA zeitgleich in der neuesten Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Science*). Dieser Durchbruch könnte zur Entwicklung eines Nano-Kernspintomographen führen, einem sehr mächtigen Mikroskop, das dreidimensionale Aufnahmen einzelner Moleküle ermöglicht. Ein solches Mikroskop würde nicht nur bisher unsichtbare Details sichtbar machen, sondern auch Einblicke in deren Eigenschaften wie etwa die chemische Zusammensetzung geben. In Biologie und Medizin wie auch in den Materialwissenschaften käme ein solches Instrument einer Revolution gleich.

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Kernspintomografie: Forscher erfassen Magnetfeld von Nano-Objekten

Spiegel Online, jme/dpa – Freitag, 01.02.2013

Die nächste Dimension ist erreicht: Bislang erkennen Kernspintomografen nur Objekte im Körper auf Mikrometerebene. Mittels eines Diamantsensors haben Forscher nun sogar Nanoobjekte bei Raumtemperatur aufgenommen. Ob die Technik auch für die Klinik taugt, muss sich noch zeigen.

Diamantoberfläche: Mit ihr lassen sich winzige Magnetfelder erkennen, IBM Research

Hamburg/Stuttgart – Bildgebende Verfahren sind fester Bestandteil der Medizin. Kernspintomografen können bislang jedoch nur Objekte beobachten, die größer sind als ein paar Mikrometer. Mit einem speziell präparierten Diamantsensor haben Stuttgarter Forscher und ein Team aus den USA nun wenige Kubiknanometer kleine Objekte nachgewiesen – das entspricht in etwa dem Volumen großer Biomoleküle. Bislang testeten die Wissenschaftler allerdings nur Substanzen, die sich im Gegensatz zu Molekülen im Körper nicht bewegen.

Link (extern): zum Artikel

Ein Brillanter - Kluge Köpfe 6

Stuttgarter Zeitung, 30. Oktober 2012 – Kluge Köpfe 6
von Michael Ohnewald

… Von Diamanten, so lehrt diese kleine Geschichte, geht ein besonderer Zauber aus, dem vor allem Frauen erliegen – aber eben nicht nur. Auch Männer können dem magnetisierenden Reiz der funkelnden Unikate verfallen – solche wie Richard Burton oder auch Professor Jörg Wrachtrup, Direktor des 3. Physikalischen Instituts an der Uni Stuttgart. „Diese Steine“, sagt er, „haben ein unglaubliches Feuer.“

Hoch dotierter Preis für Diamantenforschung

Manchmal entstehen aus einem solchen Befund „brillante“ Ideen. Im Fall von Jörg Wrachtrup ist genau das passiert. Nicht von ungefähr wurde der Stuttgarter Experimentalphysiker für die Diamantenforschung mit einem 2,5 Millionen Euro schweren Preis des Europäischen Forschungsrats bedacht, dem wenig später der „deutsche Nobelpreis“ folgte: Die Deutsche Forschungsgemeinschaft verlieh ihm den Gottfried-Wilhelm-Leibniz-Preis, ebenfalls mit 2,5 Millionen Euro dotiert. Wrachtrup kam zu der Ehre, weil er ein neuartiges Forschungsgebiet an der Schnittstelle zwischen Festkörperphysik und Quantenoptik erschlossen hat. Zweimal 2,5 Millionen Euro Preisgeld. Da sage noch einer, der Diamant sei kein gewinnbringendes Wertobjekt. …

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Rechnen für Multitasker - Badische Zeitung

Der Quantencomputer soll die Grenzen der Computertechnik sprengen. Noch steckt er in den Kinderschuhen.

Mit dem Quantencomputer ist zu rechnen. Zwar ist selbst unter Physikern noch umstritten, wie dieses erhoffte Rechengerät der Zukunft einmal aussehen wird. Erste Entwicklungen geben indes Anlass zu Hoffnung. Derzeit umfasst so ein Quantencomputer rund 14 sogenannte Quantenbits (Qubits), füllt einen großen Laborraum und muss von einem Physikerteam akribisch betreut werden. Doch – und hier ist die Analogie verblüffend – in den 1940er und 1950er Jahren sah es bei den ersten Computern noch genauso aus. Sie bestanden noch klobig aus großen Röhren. Mitarbeiterinnen mussten mechanische Schalter umlegen. Der erste Magnetdatenspeicher hatte noch die Größe eines Kinderbaumhauses. Und tatsächlich saß auch noch ein Mitarbeiter zur Bedienung in dieser Festplatte drin.

Die Anfänge der Computerei muten heute wie ein Kabinett technischer Kuriositäten an. Das Smartphone in der Hosentasche hat deutlich mehr Rechenpower wie der Großraumrechner oder der Nasa-Bordcomputer der Mondlandefähre vergangener Jahrzehnte. Und die Entwicklung geht weiter. “Vielleicht haben wir auch bald einen Quantenlaptop auf dem Schreibtisch stehen”, sagt Jörg Wrachtrup, Physiker an der Universität Stuttgart…..

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Leibniz-Preise 2012

Prof. Dr. Jörg Wrachtrup erhält den „Förderpreis im Gottfried Wilhelm Leibniz-Programm“ der DFG für das Jahr 2012

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), 08.12.2011 15:42
Wichtigster Forschungsförderpreis geht an zwei Wissenschaftlerinnen und neun Wissenschaftler / Grundlegende Erkenntnisse von Arabistik über Ozeanografie bis Zelluläre Neurowissenschaft / Verleihung am 27. Februar 2012 in Berlin
Die neuen Träger des wichtigsten Forschungsförderpreises in Deutschland stehen fest: Der Hauptausschuss der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) erkannte heute in Bonn zwei Wissenschaftlerinnen und neun Wissenschaftlern den Leibniz-Preis 2012 zu. Sie waren zuvor vom zuständigen Nominierungsausschuss aus 131 Vorschlägen ausgewählt worden. Von den elf neuen Preisträgerinnen und Preisträgern kommen fünf aus den Lebenswissenschaften, drei aus den Naturwissenschaften, zwei aus den Geistes- und Sozialwissenschaften und einer aus den Ingenieurwissenschaften. Neun der Ausgezeichneten erhalten je ein Preisgeld von 2,5 Millionen Euro, zwei Wissenschaftler teilen sich einen Preis zur Hälfte mit je 1,25 Millionen Euro. Verliehen werden die Leibniz-Preise 2012 am 27. Februar in Berlin.

Den „Förderpreis im Gottfried Wilhelm Leibniz-Programm“ der DFG für das Jahr 2012 erhalten:

  • Prof. Dr. Michael Brecht, Neurophysiologie/Zelluläre Neurowissenschaft, Bernstein Zentrum für Computational Neuroscience Berlin und Humboldt-Universität zu Berlin
  • Prof. Dr. Rainer Forst, Politische Philosophie/Theorie, Universität Frankfurt am Main
  • Prof. Dr. Gunther Hartmann, Klinische Pharmakologie/Angeborene Immunität, Universitätsklinikum Bonn
    gemeinsam mit
  • Prof. Dr. Christian Kurts, Immunologie/Nephrologie, Universitätsklinikum Bonn
  • Prof. Dr. Matthias Mann, Biochemie, Max-Planck-Institut für Biochemie, Martinsried
  • Prof. Dr. Friederike Pannewick, Arabistik/Literatur, Theater, Ideengeschichte, Universität Marburg
  • Prof. Dr. Nikolaus Rajewsky, Systembiologie, Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC), Berlin
  • Prof. Dr. Ulf Riebesell, Ozeanografie, Leibniz-Institut für Meereswissenschaften (IFM-Geomar) an der Universität zu Kiel
  • Prof. Dr. Peter Sanders, Theoretische Informatik/Algorithmik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
  • Prof. Dr. Barbara Wohlmuth, Numerische Mathematik, Technische Universität München
  • Prof. Dr. Jörg Wrachtrup, Experimentelle Physik, Universität Stuttgart

News and Views: The sense of colour centres

Dmitry Budker
Nature Physics 7, 453–454 (2011) doi:10.1038/nphys1989
Published online 17 April 2011

Single colour centres in diamond have already proved their merit for sensing magnetic fields with high sensitivity and spatial resolution. Now they have been shown to be effective atomic-scale probes of electric fields, too.

A defect in a diamond crystalline lattice where a substitutional nitrogen atom (N) sits next to a missing carbon atom….

http://www.nature.com/nphys/journal/v7/n6/full/nphys1989.html

See also: Letter by Dolde et al.

Search and Discovery: Nanodiamonds are promising quantum probes of living cells

R. Mark Wilson
Physics Today / Volume 64 / Issue 8
August 2011, page 17

Even in a complex electromagnetic environment, the spin of a single point defect in diamond can be used as a sensitive magnetometer.

Magnetic resonance techniques work by detecting the response of electronic or nuclear spins as they are manipulated by an applied magnetic field. But magnetic resonance imaging and spectroscopy remain…

http://dx.doi.org/10.1063/PT.3.1204

See also: Letter by Balasubramanian et al.

Blick in die Zelle

Baden-Württemberg Stiftung / Jahrbuch 2010

Ein erfolgreiches internationales Netzwerk hat Jörg Wrachtrup, Professor für Physik an der Universität Stuttgart, gesponnen. Jeder kennt die faszinierenden Bilder aus dem menschlichen Körper, manche sogar aus ihrem eigenen: Magnetresonanztomographen, auch Kernspintomographen genannt, machen feinste Details von Organen sichtbar, im ungünstigen Fall auch von Tumoren und anderen krankhaften Veränderungen. Nicht minder faszinierend sind die Bilder aus Rastersondenmikroskopen, die sogar einzelne Atome zeigen. Beide Verfahren haben physikalisch nichts miteinander zu tun – bis jetzt. Denn Jörg Wrachtrup möchte die beiden bildgebenden Techniken kombinieren und damit die Struktur lebender Zellen untersuchen.
So sieht das Konzept der Stuttgarter aus: Man nehme ein Rasterkraftmikroskop mit einer schwingenden Nadel aus Diamant, die so spitz ist, dass an ihrem Ende ein einzelnes Atom sitzt – das ist heute Standard in den Physiklabors. Neu ist, dass in die Spitze gezielt Defekte eingebaut werden, die zu einem veränderten magnetischen Verhalten führen. In diesem Fall sind es Stickstoffatome, die fein dosiert im Diamant sitzen. Der ultrawinzige Magnetsensor spürt damit paramagnetische Atomkerne in der Probe auf – im Prinzip wie ein Magnetresonanztomograph, nur auf atomarer Skala. Und wie ein Magnetresonanztomograph in der Klinik schaut das Mini-Messgerät in die Zellen hinein, bis in eine Tiefe von einigen Hundert Nanometern.

Dass das Konzept funktioniert, hat Wrachtrups Team bereits im Labor bestätigt. Dennoch ist noch viel Arbeit zu tun, insbesondere bei der Analyse der winzigen Schwingungen der Nadelspitze, die Auskunft über die magnetischen Eigenschaften der Probe geben. Dafür hat das Team Philipp Hemmer von der Texas A&M University nach Stuttgart geholt. Hemmer ist Experte für optische Sensoren und bringt genau die Expertise mit, die notwendig ist, um das Projekt zum Erfolg zu führen. „Die Unterstützung der Baden-Württemberg Stiftung kam gerade richtig, andernfalls wäre es wohl nicht möglich, dass unser Kollege zeitweise in Stuttgart arbeiten kann“, lobt Jörg Wrachtrup. Denn die üblichen Projekte etwa der Deutschen Forschungsgemeinschaft fördern nur die eigene Forschung der Arbeitsgruppe, nicht die von Gästen aus dem Ausland. Die Unterstützung stellt sicher, dass das Team seinen Vorsprung halten kann. Denn nach ersten Veröffentlichungen der Stuttgarter, die sowohl Messprinzip als auch die Geräte in Eigenregie entwickelt haben, sind nun auch andere Forschergruppen im In- und Ausland auf dieses neue Konzept aufmerksam geworden und versuchen, den Rückstand aufzuholen.

Wrachtrups Team hat mit dem revolutionären Messgerät viel vor: So sollen lebende Zellen quasi bei ihrer Arbeit beobachtet werden, etwa wenn Signalstoffe durch die Zellwand treten. Das könnte zum Beispiel wertvoll sein, um die Wirkung von Alzheimer-Medikamenten in Gehirnzellen zu verfolgen. Eine mögliche Erweiterung des Konzepts: Die magnetischen Defekte müssen nicht unbedingt in einer feinen Nadelspitze sitzen, sie können auch in eine ausgedehnte Oberfläche integriert werden, die gesamte Fläche ist dann der Sensor. Darauf kann man Gewebe wachsen lassen und ihm beim Wachstum zuschauen, etwa um zu ergründen, wie Zellen zu Krebszellen mutieren.

Schalten mit Licht

Baden-Württemberg Stiftung / Jahrbuch 2010

Während die Synthese aus Biologie und Nanotechnologie relativ neu ist, ist das Zusammenspiel der Nanoforschung mit der Photonik schon ein Klassiker. Die Photonik hat die Datenverarbeitung mit Licht zum Ziel, als Alternative zur heutigen Mikroelektronik, die infolge der Miniaturisierung zusehends an ihre Grenzen stößt. Photonische Computer, die allein mit Lichtsignalen arbeiten, sind aber noch Zukunftsmusik. Ein erster Schritt wären photonische Transistoren, in denen ein schwaches Lichtsignal ein starkes Lichtsignal steuert. Im Idealfall reicht ein Photon. Doch das ist schwierig, weil einzelne Lichtquanten kaum mit Materie wechselwirken.
Physiker der Universitäten Stuttgart und Konstanz sowie vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik in Freiburg wollen Nanoresonatoren bauen, die diese Interaktion verstärken. Dazu bauen sie künstliche Riesenatome, indem sie gezielt Fehlstellen in Diamant einbauen. Die Kristalle sind wenige Mikrometer groß, die Defekte müssen auf zehn Nanometer genau positioniert werden. Diese Defekte fungieren als Quantenpunkte, die Lichtinformationen magnetisch speichern können, ähnlich einer Computerfestplatte, nur viel empfindlicher und dichter. Um die Speicherzelle auszulesen, wird sie mit einem Laser bestrahlt. Im Gegensatz zur heutigen Mikroelektronik sind in Quantenpunkten nicht nur die Zustände „0“ und „1“ erlaubt, sondern gemäß den Gesetzen der Quantenphysik auch Zwischenzustände. Das würde die Informationsdichte um ein Vielfaches erhöhen. Vieles in der Photonik ist Grundlagenforschung, doch eine Anwendung des Projekts ist greifbar nah: Lichtquellen, die einzelne Photonen aussenden, sowie Transmitter, die solche Information empfangen und weiterleiten. Interessant ist das für die Übertragung sensibler Daten über Glasfasernetze, etwa zwischen Banken. Dank der Quantenphysik wären solche Verbindungen völlig abhörsicher. Jörg Wrachtrup, Professor an der Universität Stuttgart und Koordinator des Projekts: „Wenn unser Konzept funktioniert, wird ein interessanter Markt dafür entstehen.“

Hohe Auszeichnung für Stuttgarter Forscher

Artikel aus der STUTTGARTER ZEITUNG vom 21.01.2011

Physik Die Uniprofessoren Jörg Wrachtrup und Tilmann Pfau erhalten je 2,5 Millionen Euro aus EU-Töpfen. Von Martin Schäfer

Einblick in das Laserlabor (Foto: Heinz Heiss)

Auch im Internetzeitalter ist manchmal der Flurfunk schneller als jede E-Mail. Diese dient dann nur noch dazu, Bekanntes oder Vermutetes abzugleichen oder zu bestätigen. So muss es sich auch am 21. Oktober 2010 zwischen Jörg Wrachtrup, 6. Stock des Physikgebäudes auf dem Vaihinger Campus der Universität Stuttgart, und Tilmann Pfau, 4. Stock ebenda, zugetragen haben. Pfau an Wrachtrup: “Sie auch?” Wrachtrup postwendend zurück: “Ich auch!” Beide Professoren für Experimentalphysik hatten die Nachricht erhalten, dass sie einen ordentlichen Batzen Geld aus den Fördertöpfen der Europäischen Union zugesprochen zu bekommen: jeweils rund 2,5 Millionen Euro. Das ist für die Forscher wie für die Uni erfreulich und als glückliches Zusammentreffen – Physiker sprechen hier von Koinzidenz – bemerkenswert. Der Europäische Forschungsrat (ERC) vergibt in der aktuellen Förderrunde nur etwas mehr als 200 dieser sogenannten Advanced Grants, also Stipendien für etablierte Forschergruppen.

Dass es mit Wrachtrup und Pfau gleich zwei Forscher derselben Universität trifft, mit Büros nur zwei Treppenaufgänge entfernt, spricht für die Unabhängigkeit des ERC. Länderproporz oder sonstige Verteilungserwägungen spielen keine Rolle. Was allein zählt, sind Erfahrung, Kompetenz und Ideen, kurz: Exzellenz. “Und deutsche Wissenschaftler schneiden hier sehr gut ab”, sagt Philip Thelen von der Deutschen Forschungsgemeinschaft in Bonn.

Wenngleich beide Physiker grundsätzlich verschiedene Gebiete erforschen – Wrachtrup untersucht Diamanten, Pfau studiert Gase mit Riesenatomen -, gibt es zahlreiche Gemeinsamkeiten: Beide untersuchen die grundlegenden Eigenschaften der Materie, ihre sogenannte Quantennatur. Ließe die sich besser verstehen, könnte man sie etwa für einen Quantencomputer nutzen. In jedem der abgedunkelten Labore der Forscher flirren rote, grüne oder blaue Laserstrahlen auf Zickzackwegen zwischen Spiegeln, Prismen und Linsen.

“Wir wollen die Quantennatur von Licht und Materie untersuchen”, kommentiert der Quantentheoretiker Hans Peter Büchler. Er kennt die Arbeiten von Wrachtrup und Pfau genau und sitzt zwischen den beiden, im 5. Stock. Ziel sei es, einzelne Quantensysteme zu kontrollieren und miteinander zu koppeln. Aus den Einzelsystemen ließen sich dann wie mit einem Baukasten Baugruppen “zusammenstecken” – denkbar sind ein Quantencomputer oder Strahlquellen für einzelne Lichtteilchen.

Das Team um Jörg Wrachtrup schießt Stickstoffatome in zwei Millimeter messende Diamantscheibchen. Die Forscher interessieren sich nun für Stellen im Diamantkristall, an denen ein Stickstoffatom anstelle eines Kohlenstoffatoms eingebaut worden und direkt daneben ein Platz im Kristallgitter leer geblieben ist. Diese Fehlstellen – Stickstoffatom plus Gitterloch – wollen die Forscher nun gezielt kontrollieren: Ein daran gebundenes Elektron kann mit seinem magnetischen Moment, dem Spin, wie eine Kompassnadel nach oben oder unten zeigen. Mit Laserpulsen und Magnetfeldern können die Physiker diesen Spin ausrichten. Die Forscher wollen mit den Mitteln des ERC-Stipendiums diese Spins im Diamanten nun schachbrettartig aneinanderreihen und miteinander koppeln. “Der Kontrollaufwand wächst allerdings erheblich mit der Zahl der Spins”, erklärt Wrachtrup. Ein wichtiges Zwischenziel ist daher das Arrangement eines Feldes von zwei mal fünf Spins.

“Die magische Zahl wären allerdings 20 bis 30 Spins. Dann läuft manche Rechenoperation schneller als auf einem Supercomputer”, sagt der 48-jährige Physiker. Der Quantencomputer hat für ihn auch noch einen anderen Charme: Während heutige Supercomputer die Energie eines ganzen Stadtteils verbrauchen, liegt der Energieaufwand für den Kern des Quantenrechners bei nahezu null. “Wir reden hier über Möglichkeiten. Ich bin kein Techniker und interessiere mich viel mehr für die intellektuelle Herausforderung”, sagt Wrachtrup.

Sein zweites Forschungsziel: mit den Einzelspins im Diamanten ließen sich empfindliche Magnetfeldsensoren bauen. Die Anwendungsmöglichkeiten reichen von der medizinischen Diagnostik bis zur biomedizinischen Grundlagenforschung.

Für Tilmann Pfau ist die ERC-Förderung die bisher “wichtigste Auszeichnung in der Karriere”. Die Auszeichnung honoriere die Arbeit der vergangenen fünf Jahre. “Die bekommt man nur, wenn man etwas vorzuweisen hat.” Und das hat der 45-Jährige. In seinem Team hat er den Nachweis erbracht, dass es neben den drei bekannten Arten chemischer Verbindungen einen vierten Bindungstyp gibt.

Aus der Schule kennt man die kovalente Atombindung, die elektrostatische Ionenbindung und die Van-der-Waals-Bindung. Wissenschaftler wie Pfau fügten eine vierte hinzu – eine schwache Bindung zwischen zwei Atomen, von denen eines ein sogenanntes Rydberg-Atom ist. Stellt man sich ein Atom wie ein kleines Planetensystem vor, dann kreisen die Elektronen – die Planeten – bei normalen Atomen auf Bahnen, die so nahe wie möglich am Kern – der Sonne – liegen. Bei Rydbergs tun sie das nicht. Vielmehr ist das Elektron sehr stark angeregt und kreist – um im Bild zu bleiben – weit draußen auf Neptundistanz. Der Durchmesser eines Rydberg-Atoms ist rund tausendmal so groß wie der des gleichen Atoms im Grundzustand. Überraschenderweise üben solche Riesenatome des Elements Rubidium eine schwache Anziehung auf normale Rubidiumatome aus. Diese dauert zwar nur eine Milliardstel Sekunde. Für Physiker und Chemiker ist das aber eine kleine Ewigkeit. Kurios war für die Forscher zunächst, dass Rydbergs nicht nur benachbarte Atome anziehen. Unter bestimmten Umständen lassen sie die nächsten 10 000 Atome links liegen, erst beim 10 001. springt der Funke über – die zwei Atome bilden ein Riesenmolekül.

Pfau möchte nun diesen Paartanz mit Rydberg-Atom kontrollieren. Zum einen können seiner Ansicht nach auch seine Riesenmoleküle einmal als Quantenbits eines Computers fungieren. Zum anderen will er mit dem ERC-Stipendium ein Bauelement entwickeln, das kontrolliert einzelne Lichtteilchen – Photonen – abgibt. Dazu will er in eine klitzekleine Glasküvette einige Tausend Rubidiumatome einsperren. Ein Laserstrahl regt die Atome in den Rydberg-Zustand an. “Wir wissen zwar nicht, welches Atom angeregt ist, aber es ist genau eines”, sagt Pfau. Der Laserstrahl geht aus, nun strahlt das einzige angeregte Atom sein einziges Photon wieder ab. “Damit können wir einzelne Photonen durch optische Fasern leiten – wir sind hier am Limit der Physik”, erklärt Pfau.

Die Fördersumme geht bei beiden Forschern zur einen Hälfte in Material und Experimente. “Wir können damit ein ganz neues Labor aufbauen”, sagt Pfau. Mit der anderen Hälfte werden je fünf bis sechs Stellen für den Nachwuchs finanziert.