Magnetfeldsensoren auf Basis von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamant zählen zu den wichtigsten Festkörper-Quantensensoren. Sie arbeiten bei Raumtemperatur, lassen sich kompakt integrieren und können neben der Stärke auch die Richtung eines Magnetfelds bestimmen. Jüngste Fortschritte in der Vektormagnetometrie haben ihre Empfindlichkeit bis in den Sub-pT/√Hz-Bereich verbessert, sodass sie nun ungefähr in der Größenordnung liegt, die für die Messung von Herzsignalen erforderlich ist. Bislang mussten Forschende jedoch stets einen Kompromiss eingehen: Sensoren mit sehr hoher Empfindlichkeit besaßen nur einen sehr kleinen Dynamikbereich, während robustere Varianten mit einem großen Dynamikbereich deutlich unempfindlicher waren.
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Quantensensorik – vom Labor zur Marktreife
Mit der Laserschwellen-Magnetometrie verfolgen die Forschenden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik in Freiburg einen Ansatz, der diesen Zielkonflikt entschärft und ein hohes Empfindlichkeitslimit mit einem großen Dynamikbereich verbindet: Die NV-Zentren in Diamant werden direkt als optisches Element in den Resonator eines Lasers integriert, wo sie als magnetfeldabhängiger Verlustkanal fungieren. Statt der NV-Fluoreszenz lesen die Forschenden das Lasersignal des Systems aus.
In der aktuellen Arbeit demonstrieren die Forschenden ein solches Laserschwellen-Magnetometer mit zwei Medien. Durch die starke Kopplung der NV-Zentren an das Lichtfeld in der Kavität reagieren die Eigenschaften des kombinierten Sensors empfindlich auf Magnetfeldänderungen. Das Lasersystem erreicht so einen optischen Kontrast von hundert Prozent statt der für die NV-Magnetometrie typischen wenigen Prozent und liefert gleichzeitig ein robustes, kohärentes Lasersignal mit einer Leistung von bis zu fünfzig Milliwatt, verglichen mit den deutlich schwächeren NV-Fluoreszenzsignalen.
Diese Kombination aus hohem Kontrast und starkem Signal führt zu einer Empfindlichkeit von unter 400 fT/√Hz für alle drei Komponenten des Magnetfeldvektors, sofern das Limit des Photonenschrotrauschens als dominierende Rauschquelle angenommen wird. Zudem zeigten die Forschenden erstmals experimentell, dass sich dieses Empfindlichkeitslimit bei Annäherung an einen optischen Kontrast von hundert Prozent überlinear mit dem optischen Kontrast verbessert.
Entscheidend ist das Verhältnis zwischen Empfindlichkeitslimit und Dynamikbereich, da sich beide Größen typischerweise nur zulasten des jeweils anderen verbessern lassen. Im Vergleich zu herkömmlichen fluoreszenzbasierten NV-Sensoren und Gaszellen-Magnetometern erreicht das NV-Diamant-Lasersystem eine Verbesserung dieses Verhältnisses um den Faktor bis zu 590 bei gleichzeitig erhaltener Vektorfähigkeit.
Potenzielle Einsatzfelder für diese Quantensensoren umfassen die Untersuchung von Herz-, Muskel- und Hirnaktivität, die Magnetnavigation sowie die Detektion magnetischer Anomalien, etwa bei der Rohstofferkundung oder Sicherheitstechnik. [Fh.-IAF / dre]
Weitere Informationen
- Originalveröffentlichung
F. Schall, L. Lindner, Y. Rottstaedt, et al., Laser-enhanced quantum sensing boosts sensitivity and dynamic range, Nat. Commun. 17, 10825, 22. Oktober 2026: DOI: 10.1038/s41467-026-78386-z - Twenty-One Semiconductors GmbH, 72654 Neckartenzlingen / Universität Stuttgart [📄 Zellsuspensionen im Laserlicht, pro-physik.de, 14.8.2020]
- BMFTR-Leuchtturmprojekt Laserschwellen-Magnetometer für neuronale Kommunikationsschnittstellen NeuroQ, Fraunhofer IAF, Freiburg
