Quantum Sensors for Life Science

• Applicant: Professor Dr. Friedemann Reinhard
• Subject Area: Statistical Physics, Nonlinear Dynamics, Complex Systems, Soft and Fluid Matter, Biological Physics
• Term: from 2014 to 2023
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 247991270

• Final Report Year: 2023

Final Report Abstract

In diesem Projekt wurden hybride Quantensensoren entwickelt. Ein Schwerpunkt war dreidimensionale Abbildung von einzelnen Molekülen mittels Magnetresonanztomografie, also die Entwicklung von Kernspintomografen, die hundertausendmal kleinere Objekte abbilden können als die weithin bekannten klinische Geräte. Die Entwicklung dieses Geräts ist gelungen, die Abbildung gelang bislang lediglich für Spins in Diamant und muss in Folgeprojekten auf beliebige Moleküle erweitert werden. Ein weiterer Schwerpunkt war das Auslesen von Diamant-Quantensensoren, das für deren Anwendung ein entscheidendes Problem darstellt. Das bisher genutzte Verfahren, das Signal dieser Sensoren über Fluoreszenzlicht auszulesen, hat etliche Nachteile, wie zum Beispiel eine hohe Anfälligkeit für systematische Fehler, schlechte Miniaturisierbarkeit, und ein schwaches Signal. Es gelang im Projekt, diese Probleme mit mehreren verschiedenen Verfahren zu überwinden. So konnte das Auslesen einzelner Spins mit einem neuen Laserprotokoll bis zur fundamentalen quantenmechanischen Grenze des Projektions-Schrotrauschens gesteigert werden. Für das Auslesen von größeren, also μm-mm großen, Sensoren konnte ein Verfahren auf der Basis von Mikrowellenspektroskopie entwickelt werden. Der Sensor wird dazu in einen Mikrowellenresonator integriert, der eine elektrische Schnittstelle zu umgebenden Schaltkreisen bildet. Quantensensoren können damit Bestandteil von integrierten elektrischen Schaltungen werden. Seitenlinien des Projekts waren die holografische Abbildung von Objekten mit der Streustrahlung von WLAN-Routern, und die Detektion von elektrischer Aktivität von Herzmuskelzellen.

Publications

• "Efficient Electrical Spin Readout of NV- Centers in Diamond" Phys. Rev. Lett. 118 037601
  F.M. Hrubesch, G. Braunbeck, M. Stutzmann, F. Reinhard, M.S. Brandt
  
• "Holography of Wi-Fi Radiation", Phys Rev Lett. 118 183901
  P.M. Holl, F. Reinhard
  
• "Quantum sensing of weak radio-frequency signals by pulsed Mollow absorption spectroscopy" Nat. Commun. 8 964
  T. Joas, A.M. Waeber, G. Braunbeck, F. Reinhard
  
• "Quantum sensing" Rev. Mod. Phys. 89 035002
  C.L. Degen, F. Reinhard, P. Cappellaro
  
• “Effect of ultraprecision polishing techniques on coherence times of shallow nitrogen-vacancy centers in diamond” Diam. Rel. Mat. 85, 18
  G. Braunbeck, S. Mandal, M. Touge, O.A. Williams, F. Reinhard
  
• "A Planar Scanning Probe Microscope" ACS Photonics. 6 327–331
  S. Ernst, D.M. Irber, A.M. Waeber, G. Braunbeck, F. Reinhard
  
• "Can surface-transfer doping and UV irradiation during annealing improve shallow implanted nitrogen-vacancy centers in diamond?" Appl. Phys. Lett. 117 054003
  N.J. Glaser, G. Braunbeck, O. Bienek, I.D. Sharp, F. Reinhard
  
• "Detection of cellular micromotion by advanced signal processing" Sci. Rep. 10 20078
  S. Rinner, A. Trentino, H. Url, F. Burger, J. von Lautz, B. Wolfrum, F. Reinhard
  
• "Dispersive readout of room-temperature ensemble spin sensors" IOP Quantum Sci. Technol. 6, 03LT01
  J. Ebel, T. Joas, M. Schalk, P. Weinbrenner, A. Angerer, J. Majer, F. Reinhard
  
• "Robust all-optical single-shot readout of nitrogen-vacancy centers in diamond" Nat. Commun. 12 532
  D.M. Irber, F. Poggiali, F. Kong, M. Kieschnick, T. Lühmann, D. Kwiatkowski, J. Meijer, J. Du, F. Shi, F. Reinhard