Abteilung

Die Abteilung ASPIN widmet sich der Untersuchung der Struktur-Funktion-Beziehung, insbesondere der Rolle von Elektronenspins in Energiematerialien und Bauelementen, die in Anwendungen wie Photovoltaik (PV), künstliche Photosynthese (solare Brennstoffe), Batterien und Quanteninformatik eingesetzt werden. Das übergreifende Ziel unserer Forschung ist die Identifizierung von Prozessen, die die Effizienz von Bauelementen einschränken. Gleiches gilt für die Quanteninformatik, die von komplexen Quanten-Vielkörper-Wechselwirkungen beeinflusst werden. Wir verwenden Elektronen- und Kernspins als nanoskopische Beobachter und identifizieren deren magnetische Fingerabdrücke mit Hilfe der Elektronenparamagnetischen Resonanz (ESR, EPR) und der Kernmagnetischen Resonanz (NMR) nachgewiesen. EPR kann Radikale in physikalischen, chemischen und biologischen Substanzen über ihren Spinmagnetismus identifizieren und quantifizieren; NMR nutzt im Gegensatz den Kernspinmagnetismus aus und ermöglicht die Aufklärung der Struktur und der Dynamik von Molekülen sowie Konzentrationsbestimmungen.

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Konventionelles EPR-Spektrometer von Bruker (links) mit seinem 1,5-Tonnen-Elektromagneten, wie er bisher in der Spin-Radikalforschung eingesetzt wurde, und der Prototyp eines tragbaren EPR-on-a-Chip-Spektrometers (Mitte links). Der nur 1 mm2 große EPR-Chip enthält den Spinsensor mit einem Durchmesser von 300 µm (Mitte rechts). Dieser wird mittels einer Leiterplatte in den Permanentmagneten montiert. Die Grösse des Prototyps wird nur durch den Permanentmagneten bestimmt. Rechts ist der Chip im Größenverhältnis zu einer 2-Cent-Münze dargestellt.

Die Abteilung betreibt zusammen mit Partnern der Freien Universität Berlin (FUB) und der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) ein weltweit einzigartiges EPR- und NMR-Labor und entwickelt neue Methoden wie die elektrisch und optisch detektierte Magnetresonanz. Da herkömmliche EPR-Spektrometer mit einer festen Anregungsfrequenz arbeiten, benötigen sie einen Elektromagneten, der einen operando/in situ und mobilen Einsatz oft verhindert. Um diese Einschränkungen zu überwinden, entwickelt die Abteilung die EPR-on-a-Chip (EPRoC)- Technologie, ein batteriebetriebenes EPR-Spektrometer, das auf einem quadratmillimetergroßen Siliziumchip integriert ist (siehe Abb.) und den Einsatz eines Permanentmagneten ermöglicht. Mit EPRoC lässt sich ein EPR-Spektrometer leicht in die Probenumgebung integrieren, was zu einer Revolution in der EPR-Spektroskopie führt.

Die drei Arbeitsgruppen der Abteilung:

  1. Quantum Information with Solid State Spins - QuISS (Gruppenleitung: B. Naydenov)
  2. Spins in Energy Materials - SPEM (Interims Gruppenleitung: B. Naydenov)
  3. Spectral Conversion Systems - SPECS (Gruppenleitung: R. MacQueen)

Verbundprojekt EPRoC

Die Elektronen-Paramagnetresonanz-Spektroskopie (EPR) liefert Informationen über chemische und physikalische Eigenschaften, indem sie die winzigen Elementarmagnete (Spins) ungepaarter Elektronen, wie sie beispielsweise in freien Radikalen oder Defekten in Halbleitern vorkommen, als hochspezifische nanoskopische Sonde verwendet. Auf diese Weise können physikalische, chemische und biologische Substanzen hinsichtlich ihrer Radikalkonzentration und ihres Ursprungs sehr schnell und effizient quantifiziert und identifiziert werden. Leider sind die derzeit auf dem Markt erhältlichen EPR-Spektrometer aufgrund des verwendeten Messprinzips sperrig und in der Herstellung aufwendig, so dass sie nur sehr eingeschränkt für den mobilen Einsatz geeignet sind.

Das HZB und die Universität Stuttgart entwickeln derzeit ein neues Konzept, das es erlaubt, das gesamte Spektrometer auf einem batteriebetriebenen Siliziumchip von nur wenigen Quadratmillimetern zu integrieren (EPR-on-a-Chip, EPRoC). EPRoC kann direkt in die Probe oder die Probenumgebung (menschlicher Körper, Wasser, Motoren, Reaktoren, Atmosphäre, etc.) eingebracht werden, um operando- oder in-vivo-Daten vor Ort zu sammeln. Damit eröffnen sich neue Anwendungsmöglichkeiten in der Medizin, Umweltdiagnostik, Lebensmittelchemie, Prozesskontrolle sowie in der Material- und Grundlagenforschung. Die für diese Technologie notwendigen nationalen und internationalen Schutzrechte sind über das HZB beantragt und zum Teil bereits erteilt worden. Das Potenzial der EPRoC-Technologie wird derzeit im Rahmen des vom BMBF geförderten Verbundprojektes EPRoC zusammen mit der Bruker BioSpin GmbH, KIT, Universität Stuttgart und der Max-Planck-Gesellschaft für Chemische Energiewandlung (MPG CEC) untersucht.