Verdens første måling af magnetfeltafhængig stimuleret emission

I lægebehandlingen måles magnetiske felter af hjerte- og hjerneaktivitet for at opdage sygdomme på et tidligt tidspunkt. For at måle selv de mindste magnetfelter arbejder forskere ved Fraunhofer IAF på en ny tilgang:diamantbaseret lasertærskelmagnetometri. Ideen er at bruge diamant med en høj tæthed af nitrogen-fripladscentre i et lasersystem. Nu er det lykkedes forskerne at nå en milepæl:De var i stand til at demonstrere verdens første måling af magnetfeltafhængig stimuleret emission og endda sætte ny kontrastrekord. Resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet Science Advances .

Inden for medicinsk diagnostik er der brug for følsomme sensorer til for eksempel at måle de svage magnetiske felter af hjerte- og hjerneaktivitet (MCG, MEG) i den menneskelige krop og skabe billeder af kroppen via magnetisk resonansbilleddannelse (MRI), som muliggør påvisningen af sygdomme på et tidligt tidspunkt. Men kun få meget følsomme magnetfeltsensorer opnår den nødvendige præcision, og hver af dem udgør store tekniske forhindringer for klinisk anvendelse.

De allerede etablerede SQUID-sensorer kræver kompleks kryogen afkøling på omkring -270 °C. Dampcellemagnetometre (OPM'er) er en anden mulighed. Selvom disse opnår de højeste følsomheder selv uden kryogen afkøling, har de den ulempe, at de kræver absolut afskærmning af alle baggrundsfelter, inklusive jordens magnetfelt, og dermed stiller massive strukturelle krav til rum og bygninger. På grund af dette er de mere unøjagtige elektriske målinger (EKG, EEG) fortsat almindelige i daglig klinisk praksis.

På Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF i Freiburg er et projekthold allerede i gang med at forske i et mere egnet alternativ:"Vores mål er at udvikle en ekstremt følsom magnetfeltsensor, der fungerer ved stuetemperatur såvel som i nærvær af baggrundsfelter og er dermed nyttig til kliniske implementeringer," forklarer Dr. Jan Jeske, projektleder hos Fraunhofer IAF.

Måling af de mindste magnetfelter med diamant og laser

I projektet "NV-dopet CVD-diamant til ultrafølsom lasertærskelmagnetometri" (kort "DiLaMag") forsker Jeske og hans team i en verdensomspændende unik tilgang til højfølsomme kvantemagnetiske feltsensorer. For første gang bruger de diamant i et lasersystem, hvilket muliggør betydeligt mere præcise magnetfeltmålinger.

Til projektet er diamant doteret med en høj tæthed af nitrogen-fripladscentre (NV-centre). "På grund af dets materialeegenskaber kan diamant med en høj tæthed af NV-centre i høj grad forbedre målepræcisionen, når den bruges som lasermedium," forklarer Jeske. NV-centre i diamant er atomsystemer, der består af et nitrogenatom og en kulstofdefekt. De absorberer grønt lys og udsender rødt lys. Da fluorescensen af ​​disse atomisk små NV-centre afhænger af styrken af ​​et eksternt magnetfelt, kan de bruges til at måle magnetiske felter med høj lokal opløsning og god følsomhed.

Første eksperimentelle demonstration af lasertærskelmagnetometri

Efter flere års forskningsindsats har Jeskes team nået en vigtig milepæl:Det har demonstreret verdens første måling af magnetfeltafhængig stimuleret emission. I processen gjorde forskerne en interessant opdagelse:"Vi observerede en meget relevant og hidtil ukendt fysisk proces i NV-diamant:absorptionen af ​​rødt lys induceret af grøn laserbestråling," rapporterer Jeske.

Ved at bruge NV-diamant som lasermedium opnåede de ikke kun en 64 procents forstærkning af signalstyrken ved stimuleret emission. Projektholdet var endda i stand til at sætte en verdensomspændende rekord:Den magnetfeltafhængige emission viser en kontrast på 33 procent og en maksimal udgangseffekt i mW-regimet. Dette er en ny kontrastrekord inden for magnetometri med NV-ensembler.

Stimuleret emission er ansvarlig for dette. "Vi var i stand til at vise, at denne rekord ikke ville have været mulig med spontan emission. Således har vi eksperimentelt demonstreret det teoretiske princip for lasertærskelmagnetometri for første gang," understreger Jeske.

Disse resultater viser også fordelene ved diamantbaseret lasertærskelmagnetometri i forhold til konventionelle metoder og beviser, at det er muligt at måle de mindste magnetfelter.

Store fremskridt med at producere NV-diamanter

Konceptet med lasertærskelmagnetometri virker kun, hvis diamant har en meget høj tæthed af NV-centre, mens den bevarer gode optiske egenskaber. Af denne grund har projektgruppen udført omfattende materialearbejde for at optimere diamant i overensstemmelse hermed. Dette arbejde omfatter på den ene side produktion af diamant ved CVD (kemisk dampaflejring) og på den anden side efterbehandling ved elektronbestråling og temperaturbehandling for at øge NV-densiteten.

Under diamantvækst med CVD, som muliggør meget præcis og kontrolleret integration af NV-centre, var forskerne allerede i stand til at opnå en høj nitrogen-doping. Ved hjælp af elektronbestråling bestemte de derefter en optimal fluens for nitrogentæthed, hvilket resulterede i en 20 til 70 gange stigning i NV-densitet. Absorptionsspektre gjorde dem i stand til at følge dannelsen af ​​NV-centrene live.

Under karakteriseringen etablerede de korrelationerne mellem tre afgørende faktorer for optimale NV-ensembler og optimerede dem:en høj NV-densitet, en høj omdannelse af substitueret nitrogen ved brug af højfluensbestråling og en høj ladningsstabilitet. Som et resultat af disse detaljerede undersøgelser er det lykkedes teamet hos Fraunhofer IAF for første gang at producere CVD-diamant med en høj tæthed af NV-centre og i god kvalitet, og dermed skabe forudsætningen for udviklingen af ​​diamantbaseret lasertærskelmagnetometri for måling af ekstremt små magnetfelter. + Udforsk yderligere

Mod overlegen sansning og billeddannelse i nanoskala med optimerede diamantsonder