Hochsensitive Quantensensorik für die Medizin

Die Messung winziger Magnetfelder, wie sie etwa durch Hirnströme erzeugt werden, eröffnet der medizinischen Diagnostik und Behandlung viele neue Möglichkeiten. Ein Forschungsteam um Jan Jeske am Fraunhofer-Institut für angewandte Festkörperphysik arbeitet an einem weltweit neuartigen Ansatz zur präzisen Magnetfeldmessung: der Laserschwellen-Magnetometrie. Nun haben die Forscher einen NV-Diamant und eine Laserdiode in einem Resonator kombiniert und damit das Sensorsystem mit zwei aktiven Medien erstmals erfolgreich demonstriert.

Quantensensoren auf Basis von Stickstoff-Vakanz-Zentren in Diamant werden bereits umfangreich für präzise Magnetfeldmessungen bei Raumtemperatur und bei Hintergrundmagnetfeldern eingesetzt. Die Laserschwellen-Magnetometrie ist ein weltweit neuartiger Forschungsansatz zur Messung kleinster Magnetfelder im Bereich von Femtotesla bis Pikotesla. Darüber hinaus ermöglicht die LSM-Messungen mit einem hohen dynamischen Bereich, ohne dass Hintergrundfelder unterdrückt werden müssen. Diese Merkmale machen die Laserschwellen-Magnetometrie besonders nützlich für medizinische Anwendungen, wie die Messung biomagnetischer Signale des Gehirns oder des Herzens.

Das wissenschaftliche Prinzip der LSM wurde bereits umfangreich theoretisch untersucht. Die Forscher am Fraunhofer-Institut für angewandte Festkörperphysik arbeiten seitdem an der Realisierung des ersten Laserschwellen-Magnetometers. Das Grundkonzept besteht darin, einen Laser aus NV-Zentren zu entwickeln, und mithilfe von Laserlicht, das auf Magnetfelder reagiert, präzise Informationen über die Stärke und die Richtung eines Magnetfelds zu gewinnen. Die Laserschwelle ist der Punkt, an dem der Laser zu leuchten beginnt oder aufhört. Da sich Magnetfelder nahe der Laserschwelle sehr stark auf das Signal auswirken, können sie an dieser Stelle besonders präzise gemessen werden. Verglichen mit Fluoreszenzlicht können Lasersignale wesentlich genauer und über einen größeren dynamischen Bereich gemessen werden.

Bereits 2022 gelang den Forschern am Fraunhofer-IAF, die weltweit erste magnetfeldabhängige Lichtverstärkung von NV-Zentren zu zeigen. Aufgrund der externen Laserquelle konnte die Laserschwelle der NV-Zentren jedoch noch nicht realisiert werden. In den aktuellen Ergebnissen haben die Forscher den NV-Diamant zusammen mit einem zweiten Lasermedium, einer Laserdiode zur zusätzlichen Lichtverstärkung, in einem optischen Resonator kombiniert. So haben sie es geschafft, die Laserschwelle erstmals zu demonstrieren: Je nachdem, wie stark die NV-Zentren angeregt wurden, ging das Lasersystem an oder aus.

„Die Ergebnisse sind ein Durchbruch für die Entwicklung der Laserschwellen-Magnetometrie. Auf dieser Basis können in Zukunft Sensoren mit bis zu hundert Prozent Kontrast, starken Lichtsignalen und einem weiten Bereich von messbaren Magnetfeldstärken realisiert werden“, sagt Jeske. Aktuell arbeitet das Team an der Weiterentwicklung des neuartigen NV-Diamant-Lasersystems, das sich im Prozess der Patentanmeldung befindet, und an der Erhöhung der Sensitivität.

Fh.-IAF / RK