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11/03/2021 15:49

Farbzentren in Diamanten dienen als Gyroskope

Petra Giegerich Kommunikation und Presse
Johannes Gutenberg-Universität Mainz

    Nachweis erbracht: Farbzentren in Diamanten lassen sich als Gyroskope einsetzen

    Drehen wir unseren Kopf, realisiert unser Gehirn diese Drehung vor allem über den visuellen Eindruck – also über das, was wir sehen. Technische Geräte dagegen setzen auf Gyroskope, sprich Rotationssensoren. Wichtig sind diese unter anderem für die Navigation. So detektiert beispielsweise beim Autopiloten im Flugzeug ein Gyroskop die drei verschiedenen Rotationsarten, die das Flugzeug ausführen kann: Es kann rollen, also einen Flügel nach unten und den anderen nach oben drehen, die Nase nach oben beziehungsweise unten ziehen oder sich relativ zum Erdboden drehen. Wichtig sind Gyroskope auch in Fahrzeugen am Boden, etwa in autonom fahrenden Autos.

    Die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Dmitry Budker publizierte bereits 2012 ihre Idee, Farbzentren in Diamanten als Gyroskope zu nutzen. Nun konnten die Forschenden den praktischen Nachweis dafür erbringen. Ihre Ergebnisse haben sie kürzlich im Fachmagazin Science Advances veröffentlicht.

    Farbzentren in Diamant bereits zur Messung von Magnetfeldern genutzt

    „Wir und andere Gruppen nutzen diese Farbzentren bereits seit einigen Jahren zur Messung von Magnetfeldern“, erläutert Budker, Physiker an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und am Helmholtz-Institut Mainz (HIM), das neben der Universität auch vom GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt getragen wird. „Die Messung von Rotationen funktioniert prinzipiell auch wie bei einem Magnetometer, allerdings ergeben sich dabei einige Herausforderungen.“ So muss der Sensor schwankende magnetische Felder ignorieren, um die Rotationen messen zu können. Diesem Problem konnten Budker und sein Team jedoch beikommen. Einerseits nutzen sie für die Gyroskopie statt der Elektronenspins die Kernspins, die ein wesentlich kleineres magnetisches Moment und deshalb eine geringere Sensitivität für Magnetfelder besitzen. Andererseits konnten die Wissenschaftler externe Magnetfelder weitgehend abschirmen und trotzdem intern ein sehr stabiles Bias-Magnetfeld zur Erzeugung des Messeffekts aufrechterhalten, welches auch kaum auf Temperaturschwankungen reagiert. Sollten schwankende Magnetfelder im Außenraum auftreten, „sehen“ die Farbzentren diese nicht. Fragestellungen und Herausforderungen rund um dieses Magnetfeld widmete sich Dr. Peter Blümler von der JGU. Die Experimente und der erste Nachweis gelangen allerdings Dr. Andrey Jarmola und Budkers ehemaligem Doktoranden, Dr. Sean Lourette, an der University of California in Berkeley.

    Somit berichten die Forscher in ihrer Veröffentlichung über zwei Neuerungen. Erstens konnten sie ihre Idee aus dem Jahre 2012 realisieren und erstmalig Farbzentren von Diamanten als Gyroskop nutzen. Zweitens erarbeiteten sie einen technischen Weg, um dies zu realisieren. Bis in die alltägliche Anwendung sind allerdings noch weitere Herausforderungen zu meistern.

    Bildmaterial:
    https://download.uni-mainz.de/presse/08_physik_quantum_him_gyroskop.jpg
    Experimenteller Aufbau des Diamant-Gyroskops mit Diamantsensor, Diodenlaser und Fotodetektor
    Abb./©: Andrey Jarmola

    Weiterführende Links:
    https://budker.uni-mainz.de/ - Arbeitsgruppe Dmitry Budker
    https://www.hi-mainz.de/ - Helmholtz-Institut Mainz
    https://www.gsi.de/ - GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

    Lesen Sie mehr:
    https://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/13510_DEU_HTML.php - Pressemitteilung „Neue Methode für die Herstellung von Fumarat: Stoffwechselprodukt Fumarat kann Zellschädigungen sichtbar machen“ (27.04.2021)
    https://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/13224_DEU_HTML.php - Pressemitteilung „Hyperpolarisierte Protonen-Bildgebung zur Beobachtung von Stoffwechselprozessen in Echtzeit“ (11.03.2021)
    https://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/13133_DEU_HTML.php - Pressemitteilung „Kombi-Technik mit Diamant-Sonde ermöglicht Abbildung magnetischer Wirbelstrukturen auf der Nanoskala“ (25.02.2021)
    https://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/13118_DEU_HTML.php - Pressemitteilung „Neuartiger Maser für Präzisionsmessungen und zur Suche nach Dunkler Materie vorgestellt“ (18.02.2021)
    https://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/13025_DEU_HTML.php – Pressemitteilung „Venusfliegenfalle erzeugt magnetische Felder“ (27.01.2021)
    https://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/12472_DEU_HTML.php – Pressemitteilung „Dunkle Materie aus den Tiefen des Universums (04.11.2020)
    https://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/12355_DEU_HTML.php - Pressemitteilung „Dmitry Budker erhält Norman F. Ramsey-Preis der American Physical Society” (21.10.2020)
    https://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/12130_DEU_HTML.php - Pressemitteilung „Danila Barskiy erhält Sofja Kovalevskaja-Preis zur Entwicklung von tragbaren, preisgünstigen Spektroskopiegeräten“ (22.09.2020)
    https://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/11825_DEU_HTML.php - Pressemitteilung „Neue NMR-Methode ermöglicht Beobachtung chemischer Reaktionen in Metallbehältnissen“ (15.07.2020)
    https://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/11370_DEU_HTML.php - Pressemitteilung „Zustand von Lithium-Ionen-Akkus kann mit einfacher Methode gemessen werden“ (07.05.2020)


    Contact for scientific information:

    Prof. Dr. Dmitry Budker
    Quanten-, Atom- und Neutronenphysik (QUANTUM)
    Institut für Physik
    Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU)
    und Helmholtz-Institut Mainz (HIM)
    55099 Mainz
    Tel. +49 6131 39-29630
    E-Mail: budker@uni-mainz.de
    https://budker.uni-mainz.de/?page_id=70


    Original publication:

    Andrey Jarmola et al.
    Demonstration of diamond nuclear spin gyroscope
    Science Advances, 22. Oktober 2021
    DOI: 10.1126/sciadv.abl3840
    https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abl3840


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    Criteria of this press release:
    Business and commerce, Journalists, Scientists and scholars
    Electrical engineering, Materials sciences, Mechanical engineering, Physics / astronomy
    transregional, national
    Research results, Scientific Publications
    German


     

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