Die Diamant-Quantensensorikforschung rückt im Bereich der Quantentechnologie immer mehr in den Fokus. Das Anya Jaych Lab an der University of California, Santa Barbara, hat bedeutende Fortschritte an der Schnittstelle von Materialwissenschaft und Quantenphysik erzielt. Mithilfe von im Labor gezüchteten Diamanten erforscht das Labor die Quantensensorik durch künstlich erzeugte Defekte (Spin-Qubits) in Diamanten.

In drei gemeinsam mit Jayge verfassten Publikationen hat Lillian Hughes, eine angesehene Forscherin des Labors, erstmals gezeigt, dass sich in Diamant nicht nur einzelne Qubits anordnen und verschränken lassen, sondern auch zweidimensionale Anordnungen zahlreicher Defekte. Dieser Durchbruch ermöglicht es, Quantenvorteile im Festkörper zu erzielen und legt damit den Grundstein für die Entwicklung von Quantentechnologien der nächsten Generation. Hughes erklärte: „Wir können die Dichte und Dimension des Spins an den Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamant kontrollieren, um dicht gepackte, tiefenbegrenzte zweidimensionale Schichten zu erzeugen.“

Jay erklärte, dass NV-Farbzentren langlebige Spinzustände aufweisen, die für die Quantensensorik genutzt werden können. Im Gegensatz zu früheren Quantensensorexperimenten in Festkörpersystemen verwendet Hughes in seiner Forschung ein dicht gepacktes Ensemble stark wechselwirkender Spins. Dies bietet durch kollektives Verhalten zusätzliche Quantenvorteile und verbessert somit das Signal-Rausch-Verhältnis und die Empfindlichkeit. Jay wies außerdem darauf hin, dass die Verwendung von Festkörpermaterialien (wie Diamant) einfacher zu integrieren ist als die von atomaren Sensoren in der Gasphase. Dadurch können diese Sensoren nahe am zu untersuchenden System platziert werden, was potenzielle Anwendungen in der Erforschung biologischer Systeme eröffnet.

Darüber hinaus untersuchte das Jaych-Labor, wie sich die Standard-Quantengrenze durch „Quetschen“ der Rauschamplitude überwinden lässt und wie mit demselben System metrologische Gewinne erzielt werden können. Diese Studien liefern neue Erkenntnisse zur praktischen Nutzung des Quantenvorteils in der Sensorik. Jaych erklärte, die größte Herausforderung liege derzeit in der Materialwissenschaft, insbesondere in der Schwierigkeit, die Position der Spins präzise zu kontrollieren. Das Labor erforscht jedoch den Aufbau von Gittern aus diesen Spins, um diese Herausforderung zu bewältigen.

Weitere Informationen: Haoyang Gao et al., „Signalverstärkung von Festkörpersensoren basierend auf asymmetrischen Vielteilchenechos“, *Nature* (2025). Wu Weijie et al., „Spinkompression von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamant“, *Nature* (2025). Lillian B. Hughes et al., „Stark wechselwirkende zweidimensionale Dipol-Spin-Ensembles in (111)-orientiertem Diamant“, *Physical Review X* (2025). Zeitschrifteninformationen: *Nature*, *Physical Review X*