Princeton-Quantensensor erreicht vierzigfache Empfindlichkeit durch Verschränkung von NV-Zentren

Forschende der Princeton University haben eine signifikante methodische Verbesserung in der Quantensensorik erzielt, die eine um das 40-fache gesteigerte Empfindlichkeit bei der Messung magnetischer Phänomene auf der Nanoskala ermöglicht. Die Entwicklung, die am 26. November 2025 in der Fachzeitschrift Nature publiziert wurde, basiert auf der Nutzung der quantenmechanischen Verschränkung innerhalb von Stickstoff-Fehlstellenzentren (NV-Zentren) in einem im Labor gezüchteten Diamanten. Diese Technik erlaubt die Detektion nanoskaliger Fluktuationen in Materialien, die zuvor mit herkömmlichen Messinstrumenten nicht zugänglich waren, was weitreichende Implikationen für die Materialwissenschaft nach sich zieht.

Die wissenschaftliche Arbeit wurde maßgeblich von Nathalie de Leon, außerordentliche Professorin in Princeton und leitende Autorin, sowie Jared Rovny vorangetrieben, der die theoretischen Grundlagen für den verschränkten Sensor entwickelte. Der Kern der Innovation liegt in der präzisen Positionierung von zwei NV-Zentren, die etwa 10 Nanometer voneinander entfernt im Diamantgitter angeordnet sind. Diese Defekte, die durch den Einschlag von Stickstoffmolekülen mit Geschwindigkeiten von über 30.000 Fuß pro Sekunde im Diamanten entstanden, interagieren quantenmechanisch. Die Verschränkung der Elektronen dieser beiden Stickstoffatome ermöglicht eine synchronisierte Messung, wodurch Signale präzise inmitten von Rauschen trianguliert und von Störquellen getrennt werden können.

Diese neue Messmethode stellt einen wesentlichen Fortschritt gegenüber früheren, technisch aufwendigeren Korrelationsdetektionsverfahren dar, wie Nathalie de Leon hervorhob, da nun eine einzige, unkomplizierte Messung ausreicht. Zuvor untersuchten Rovny, de Leon und Shimon Kolkowitz in einer Publikation von 2022 in Science Verfahren, die auf der Korrelation nicht-verschränkter Zentren basierten und als umständlicher galten. Die Fähigkeit, Vorgänge auf der Skala zwischen atomarer Größe und der Wellenlänge sichtbaren Lichts zu erfassen, adressiert zentrale Fragen in der Festkörperphysik.

Die Relevanz dieser Errungenschaft ist besonders hoch für die Erforschung von Schlüsselmaterialien wie Graphen und Supraleitern. Supraleiter sind fundamental für zukünftige Technologien wie verlustfreie Stromleitungen und fortschrittliche medizinische Bildgebungssysteme. Graphen, das aus hexagonal angeordneten Kohlenstoffatomen besteht, zeigt unter bestimmten Bedingungen, wie einer Verdrehung von zwei Lagen um den sogenannten magischen Winkel von 1,08 Grad, supraleitende Eigenschaften, was die Suche nach Hochtemperatur-Supraleitern vorantreibt.

Philip Kim, ein Experimentalphysiker von Harvard, der nicht an der Studie beteiligt war, betonte die praktische Bedeutung, da die neue Technik es Wissenschaftlern erlaubt, reale Materialien direkt zu untersuchen, im Gegensatz zu den früher notwendigen, sorgfältig konstruierten atomaren Anordnungen. Die Forschungsgruppe von Nathalie de Leon konzentriert sich generell auf den Aufbau von Quantenhardware mit Farbzentren in Materialien mit großer Bandlücke, mit dem langfristigen Ziel, skalierbare Quantennetzwerke und nanoskalige Sensoren zu realisieren. Der Übergang von der komplexen Korrelationserkennung zu einem vereinfachten, auf Verschränkung basierenden Einzelmesssystem deutet auf einen praktikableren Weg für die Anwendung dieser Quantentechnologie in der Physik der kondensierten Materie hin.