Diamantsplitter als Thermosonden
Dauer der Diamanten-Lumineszenz zeigt enge Korrelation mit der Umgebungstemperatur.
Viele Substanzen reagieren auf eine Anregung durch Laser mit einer Lichtemission. Diese Lumineszenz lässt sich für kontaktlose Temperaturmessungen nutzen, doch erlauben bisherige Ansätze nur einen eingeschränkten Messbereich. Französische Wissenschaftler konnten dieses Problem nun mit winzigen Diamantsplittern beheben und erreichten über einen Messbereich von fast 600 Kelvin eine hohe Messgenauigkeit von einem Grad.
Abb.: Im Vergleich zu einem herkömmlichen Bild eines Fluoreszenz-Mikroskops (links) erzielt eine magnetische Bildgebung mit dem Quanten-Diamant-Mikroskop (rechts) eine ähnliche Auflösung bei höherem Kontrast. (Bild: R. Walsworth et al. / Harvard)
Für ihre Messungen verunreinigten Estelle Homeyer und ihre Kollegen vom Institut Lumière Matière der Université de Lyon Mikrometer kleine Diamanten mit Nickel. Diese Partikel deponierten sie auf einer Silizium-Unterlage und setzten sie dann in einen Kryostaten. Auf eine Anregung mit kurzen blauen Laserpulsen von 444 Nanometern Wellenlänge, reagierten die Diamantsplitter mit der Emission von grünem Lumineszenzlicht.
Bei einer Umgebungstemperatur von 100 Kelvin dauerte die Lumineszenz 277 Mikrosekunden. Mit steigender Temperatur verkürzte sich diese Dauer kontinuierlich und erreichte bei 800 Kelvin einen Wert von nur noch 600 Nanosekunden. Diese enge Korrelation nutzten Homeyer und Kollegen für ihr Lumineszenz-Thermometer, das über einen weiten Messbereich die Temperatur auf etwa ein Grad genau bestimmen konnte. Dabei reagierten die Diamantsplitter sehr schnell auf die anregenden Laserpulse, so dass eine hohe zeitliche Auflösung der Messungen möglich war. Die Leistung der Laserpulse von 12 Picojoule pro Puls war dabei gering genug, um selbst keinen verfälschenden Einfluss auf die zu messende Temperatur zu nehmen.
Ein weiterer Vorteil lag in der geringen Größe der Diamantsplitter von nur wenigen Mikrometern. So erreichte die Ortsauflösung der Temperaturmessung etwa fünf Mikrometer. Insgesamt zeigen diese Messungen, dass gezielt mit Nickel verunreinigte Mikrodiamanten sehr gut als Temperatursonden für kontaktlose Messungen geeignet sind. Dank hoher Ortsauflösung und Reaktionsschnelligkeit könnten Lumineszenz-Thermometer auf der Basis von Mikrodiamanten in Zukunft genauere Kontrollen etwa von chemischen Reaktionen ermöglichen.
Jan Oliver Löfken
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