Quantentechnologien für Kernspinresonanz auf der Nanoskala

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Bodo Plenio
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 414061038

Kernspinresonanz (NMR) nutzt Kernspins als atomare Sonden ihrer magnetischen Umge- bung in Molekülen, um deren Struktur mit hoher Spezifizität zu bestimmen. Damit ist NMR eine grundlegende Methode in Biologie, Chemie, Medizin und Physik. Die Anwendung der NMR auf kleinste Proben bis in den sub-Mikrometerbereich wird aber durch ihre physikalisch bedingte geringe Sensitivität behindert. Dieses Projekt nutzt Quantentechnologien, um mit der theoretischen Entwicklung von Methoden der NMR mittels Farbzentren in Diamant die Grundlage für die Überwindung dieser Grenzen zu legen. Hierzu dient die kombinierte Entwicklung (i) von kohärenten Kontroll- und Detektionsmethoden sowie von Diamanthybridarchitekturen, die gleichzeitig die Robustheit gegen Rauschen und die Sensititvität für NMR Signale erhöhen, (ii) von Methoden zur Kernspinhyperpolarisation in Flüssigkeiten zur Verstärkung des NMR Signals und (iii) von Algorithmen aus der modernen Signalverarbeitung zur optimalen Analyse von verrauschten oder unvollständig abgetasteten Signalen. Diese Kombination ist essentiell für die Realisierung von hochauflösender NMR auf Längenskalen im Mikro- bis Nanometerbereich. Anwendungen reichen von molekularer Analyse mittels on-chip NMR und der Untersuchung von Oberflächenchemie und Katalyse bis hin zu Detektion von Struktur und Dynamik einzelner Proteine in vivo und in vitro.

• DFG-Verfahren: Reinhart Koselleck-Projekte