Der Quantenphysiker Jörg Wrachtrup verwies am Beginn seiner Schrödinger Lecture am 2. Mai 2018 an der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) auf die Geschichte der interkontinentalen „Verkabelung“ im Buch „Rausch“ von US-Autor John Griesemer, denn: „Immer, wenn ich Hiobsbotschaften aus dem Labor höre, erinnere ich mich an dieses Buch und denke mir, wenn es das Ziel wert ist, muss ich durchhalten! Denn das Ziel ist meist die Mühe wert“.

Und das ist es sicherlich: Wrachtrup und sein Team an der Universität Stuttgart stellen sehr empfindliche Quantensensoren aus Diamanten her und machen sich dafür die optische Transparenz und außergewöhnliche Härte dieser begehrten Steine zunutze. Die Wissenschaftler/innen wollen diese Sensoren in verschiedenen Quantentechnologien, unter anderem in der medizinischen Diagnostik, wie etwa der Kernspintomographie oder der Magnetenzephalographie, anwenden. „Durch Quantensensoren glauben wir diese Technologien radikal verändern zu können und dramatisch zu vereinfachen“, so Wrachtrup.

Ein Scanner für Biomoleküle

Die Kernspintomographie nutzt eine spezielle Eigenschaft der Atome – ihren Spin. Einfach ausgedrückt kann man sich einen Spin als die Rotation von Atomkernen und Elektronen um ihre eigene Achse vorstellen, die die Teilchen zu winzigen, rotierenden Stabmagneten macht. Jedes Teilchen oszilliert somit mit einer bestimmten Frequenz, die gemessen werden kann.
Die neuartigen Sensoren aus Diamant haben ein Stickstoffatom in das Kohlenstoffgitter eingebaut. Der Stickstoff nimmt den Platz eines Kohlenstoffatoms ein. In der Nachbarschaft bildet sich dann eine Leerstelle, ein Defekt, der ein Elektron bindet. Sein Spin macht dieses Elektron zu einer Art winzigem Stabmagneten. Die Orientierung des Stabmagneten hängt dabei von den magnetischen Einflüssen aus seiner unmittelbaren Umgebung ab und so entsteht ein Sensor.

Entscheidend ist, dass die neuartigen Detektoren eine Auflösung im Nanometerbereich erreichen und so empfindlich sind, dass sie einzelne Moleküle exakt messen und Strukturen von Biomolekülen Stück für Stück entschlüsseln können. Die Detektoren messen nämlich nicht nur den Kernspin von Wasserstoffatomen, wie das bei den gängigen Geräten üblich ist, sondern können das auch bei anderen Atomen. „Wir haben den ersten Quantensensor entwickelt, der die Frequenzen verschiedener Atome mit ausreichender Genauigkeit detektieren und so ein Molekül fast in seine einzelnen Atome zerlegen kann“, sagte Jörg Wrachtrup an der ÖAW. Dies kann dabei helfen, Krankheitsursachen zu finden und neue Therapien zu entwickeln.

Frühstadium von Erkrankungen erkennen

Jörg Wrachtrup sieht für seine hochauflösenden Quantensensoren gleich mehrere zukünftige Anwendungsfelder. Einerseits in der Biophysik zur Sichtbarmachung von Zellen ohne Färbemittel oder in der medizinischen Diagnostik, etwa um die Krebstherapie zu optimieren. „Es ist denkbar, dass in Zukunft einzelne Proteine ​​nachgewiesen werden können, die sich im Frühstadium einer Erkrankung deutlich verändert haben und bisher übersehen wurden“, meint Wachtrup.

Bei der Kernspintomographie können die Diamanten als empfindliche Sensoren eingesetzt werden und dadurch die Geräte weniger aufwendig, kostengünstiger und sogar tragbar machen. Es muss kein Magnetfeld mehr aufgebaut werden und die Patienten müssen sich nicht mehr in die enge Röhre eines MRT-Geräts, das unangenehm laute Klopfgeräusche erzeugt, legen. Darüber hinaus soll es möglich sein, bisher nicht messbare physikalische Parameter in lebendigen Zellen nachzuweisen, wie etwa Temperatur, den pH-Wert und die Verformung von Zellen – dies ist besonders wichtig für die Erkennung von Krebs.