Weltweit erste Messung magnetfeldabhängiger stimulierter Emission

In der medizinischen Diagnostik werden sensitive Sensoren benötigt, um beispiels­weise die schwachen Magnetfelder der Herz- und Hirn­aktivi­täten des menschlichen Körpers zu messen. Verfahren, die auf der Detektion von Magnetfeldern basieren, wie etwa die Magnet­resonanz­tomographie, ermöglichen es, Krankheiten frühzeitig zu diagnos­tizieren. Die notwendige Präzision wird jedoch nur von wenigen hoch­sensitiven Magnet­feld­sensoren erreicht, die jeweils große technische Hürden für die klinische Anwendung darstellen. Die bereits etablierten SQUID-Sensoren benötigen eine aufwendige Tief­temperatur-Kühlung. Eine andere Möglichkeit sind optisch gepumpte Gaszellen­magnetometer. Diese erreichen zwar auch ohne eine kryogene Kühlung höchste Sensiti­vitäten, haben jedoch den Nachteil, dass sie eine absolute Abschirmung aller Hinter­grund­felder, also auch des Erd­magnet­felds, benötigen und somit massive bau­tech­nische Anforderungen an Räume und Gebäude stellen. Deshalb sind im klinischen Alltag weiterhin die ungenaueren elektrischen Messungen gängig.

Am Fraunhofer-Institut für angewandte Festkörper­physik in Freiburg forscht ein Projekt­team an einer Alternative. „Unser Ziel ist es, einen extrem sensiblen Magnet­feld­sensor zu entwickeln, der bei Raum­temperatur sowie auch bei vorhandenen Hinter­grund­feldern funktioniert und damit praktikabel in der klinischen Umsetzung ist“, erklärt Projekt­leiter Jan Jeske. Jeske forscht mit seinem Team an einem weltweit neuen Ansatz für hoch­sensitive Quanten-Magnet­feld­sensoren: Diamant soll zum ersten Mal in einem Lasersystem eingesetzt werden und damit erheblich präzisere Magnetfeld-Messungen ermöglichen.

Für das Vorhaben wird Diamant mit einer hohen Dichte an Stickstoff-Vakanz-Zentren ausgestattet. „Aufgrund seiner Material­eigen­schaften kann Diamant mit einer hohen Dichte an NV-Zentren die Mess­präzision wesentlich verbessern, wenn er als Lasermedium eingesetzt wird“, erläutert Jeske. NV-Zentren in Diamant sind atomare Systeme aus einem Stickstoff-Atom und einer Kohlenstoff-Fehlstelle. Sie absorbieren grünes Licht und emittieren rotes Licht. Da die Leuchtkraft dieser atomar kleinen NV-Zentren von der Stärke eines äußeren Magnet­felds abhängt, können sie genutzt werden, um Magnet­felder mit hoher lokaler Auflösung und guter Empfind­lich­keit zu messen.

Nach mehrjähriger Forschungs­anstrengung hat das Team jetzt einen wichtigen Meilenstein erreicht: Es hat die weltweit erste Messung magnet­feld­ab­hängiger stimu­lierter Emission demonstriert. Dabei haben die Forscher eine interessante Entdeckung gemacht. „Wir beob­achteten einen sehr relevanten und bisher in NV-Diamant unbekannten physi­ka­lischen Prozess: die durch grüne Laser­ein­strahlung induzierte Absorption roten Lichts“, berichtet Jeske.

Mit NV-Diamant als Laser­medium haben sie nicht nur eine Verstärkung der Signal­leistung durch stimulierte Emission um 64 Prozent erreicht. Das Projekt­team konnte sogar einen welt­weiten Rekord verbuchen: Die magnet­feld­abhängige Emission zeigt einen Kontrast von 33 Prozent und eine maximale Ausgangs­leistung im mW-Bereich. Das ist ein neuer Kontrast-Rekord in der Magneto­metrie mit NV-Ensembles. Verantwortlich dafür ist die stimulierte Emission. „Wir konnten zeigen, dass dieser Rekord mit spontaner Emission nicht möglich gewesen wäre. Somit haben wir das theoretische Prinzip der Laser­schwellen-Magneto­metrie erstmals experi­mentell demonstriert“, betont Jeske. Die Ergebnisse zeigen zudem die Vorteile von Diamant-basierter Laser­schwellen-Magneto­metrie gegenüber konven­tio­nellen Methoden und beweisen, dass damit die Messung kleinster Magnet­felder möglich ist.

Das Konzept der Laser­schwellen-Magneto­metrie funktioniert nur, wenn Diamant eine sehr hohe Dichte an NV-Zentren aufweist und gleichzeitig gute optische Eigen­schaften behält. Aus diesem Grund hat das Projekt­team umfang­reiche Material­arbeiten geleistet, um Diamant entsprechend zu optimieren. Diese Arbeiten umfassen zum einen die Herstellung von Diamant mittels Chemical Vapour Deposition und zum anderen die Nach­bearbeitung per Elektronen­bestrahlung und Temperatur­behandlung für eine Erhöhung der NV-Dichte.

Beim Diamant­wachstum per CVD, was einen sehr präzisen und kontrol­lierten Einbau von NV-Zentren ermöglicht, konnten die Forscher bereits eine hohe Stickstoff-Dotierung erreichen. Mittels Elektronen­bestrahlung haben sie daraufhin eine optimale Fluenz für die Stickstoff-Dichte ermittelt und damit eine Erhöhung der NV-Dichte um das Zwanzig- bis Siebzigfache erzielt. Absorptions­spektren ermöglichten es ihnen, die Entstehung der NV-Zentren live zu verfolgen.

Bei der Charakte­ri­sierung haben sie die Zusammen­hänge zwischen drei entscheidenden Faktoren für optimale NV-Ensembles hergestellt und diese optimiert: eine hohe NV-Dichte, eine hohe Umsetzung von substi­tu­iertem Stickstoff mittels Bestrahlung mit hoher Fluenz sowie eine hohe Ladungs­stabilität. Dank dieser aus­führlichen Studien ist es dem Team erstmals gelungen, CVD-Diamant mit einer hohen Dichte an NV-Zentren und in guter Qualität herzu­stellen und damit die Voraus­setzung für die Entwicklung der diamant­basierten Laser­schwellen-Magneto­metrie zur Messung kleinster Magnet­felder zu schaffen.

Fh.-IAF / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  F. A. Hahl et al.: Magnetic-field-dependent stimulated emission from nitrogen-vacancy centers in diamond, Sci. Adv. 8, eabn7192 (2022); DOI: 10.1126/sciadv.abn7192
• DiLaMag – NV-dotierter CVD-Diamant für ultrasensitive Laserschwellen-Magnetometrie (J. Jeske), Quantensensorik, Fraunhofer-Institut für angewandte Festkörperphysik, Freiburg