Weltweit erste Messung magnetfeldabhängiger stimulierter Emission

In der Medi­zin wer­den Mag­net­felder von Herz- und Hir­nak­tiv­itäten gemessen, um Krankheit­en frühzeit­ig zu diag­nos­tizieren. Um auch kle­in­ste Mag­net­felder zu messen, arbeit­en Forschende des Fraun­hofer IAF an einem neuen Ansatz: der Dia­mant-basierten Laser­schwellen-Mag­ne­tome­trie. Dabei soll Dia­mant mit ein­er hohen Dichte an Stick­stoff-Vakanz-Zen­tren in einem Laser­sys­tem einge­set­zt wer­den. Nun ist den Forschen­den ein Meilen­stein gelun­gen: Sie kon­nten die weltweit erste Mes­sung mag­net­feld­ab­hängiger stim­uliert­er Emis­sion zeigen und sog­ar einen neuen Kon­trast-Reko­rd auf­stellen. Damit haben sie erst­mals das Prinzip der Laser­schwellen-Mag­ne­tome­trie demon­stri­ert. Pub­liziert wur­den die Ergeb­nisse in der Fachzeitschrift Sci­ence Advances.

In der medi­zinis­chen Diag­nos­tik wer­den sen­si­tive Sen­soren benötigt, um beispiel­sweise die schwachen Mag­net­felder der Herz- und Hir­nak­tiv­itäten (MKG, MEG) des men­schlichen Kör­pers zu messen. Ver­fahren, die auf der Detek­tion von Mag­net­feldern basieren, wie etwa die Mag­ne­tres­o­nanz­to­mo­gra­phie (MRT), 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 von ca. ‑270 Grad Cel­sius. Eine andere Möglichkeit sind optisch gepumpte Gaszel­len­mag­ne­tome­ter (OPMs). 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 (EKG, EEG) gängig.

Am Fraun­hofer-Insti­tut für Ange­wandte Fes­tkör­per­physik IAF in Freiburg forscht ein Pro­jek­t­team bere­its an ein­er geeigneteren 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 Dr. Jan Jeske, Pro­jek­tleit­er am Fraun­hofer IAF.

Mit Dia­mant und Laser kle­in­ste Mag­net­felder messen

In dem vom Bun­desmin­is­teri­um für Bil­dung und Forschung geförderten Pro­jekt »NV-dotiert­er CVD-Dia­mant für ultra-sen­si­tive Laser­schwellen-Mag­ne­tome­trie« (kurz: DiL­a­M­ag) forscht Jeske 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 (NV-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 Mag­net­feldes abhängt, kön­nen sie genutzt wer­den, um Mag­net­felder mit hoher lokaler Auflö­sung und guter Empfind­lichkeit zu messen.

Erste exper­i­mentelle Demon­stra­tion der Laserschwellen-Magnetometrie

Nach mehrjähriger Forschungsanstren­gung hat das Team um Jeske einen wichti­gen Meilen­stein erre­icht: Es hat die weltweit erste Mes­sung mag­net­feld­ab­hängiger stim­uliert­er Emis­sion demon­stri­ert. Dabei haben die Forschen­den 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. Dies 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. Diese Ergeb­nisse zeigen zudem die Vorteile von Dia­mant-basiert­er Laser­schwellen-Mag­ne­tome­trie gegenüber kon­ven­tionellen Meth­o­d­en und beweisen, dass damit die Mes­sung kle­in­ster Mag­net­felder möglich ist.

Große Fortschritte bei der Her­stel­lung von NV-Diamant

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 CVD (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 Forschen­den 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 20 bis 70-Fache 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 am Fraun­hofer IAF erst­mals gelun­gen, CVD-Dia­mant mit ein­er hohen Dichte an NV-Zen­tren und in guter Qual­ität herzustellen und damit die Voraus­set­zung für die Entwick­lung der Dia­mant-basierten Laser­schwellen-Mag­ne­tome­trie zur Mes­sung kle­in­ster Mag­net­felder zu schaffen.

Die RMIT Uni­ver­si­ty (Aus­tralien), die Nation­al Insti­tutes for Quan­tum and Radi­o­log­i­cal Sci­ence and Tech­nol­o­gy (Japan) und das Col­lege of Stat­en Island (USA) wirk­ten bei der wis­senschaftlichen Veröf­fentlichung mit.

Das Bun­desmin­is­teri­um für Bil­dung und Forschung fördert DiL­a­M­ag im Rah­men des Nach­wuch­swet­tbe­werbs »NanoMat­Fu­tur« – ein­er Maß­nahme zur Förderung hochqual­i­fizierten wis­senschaftlichen Nach­wuch­ses im Bere­ich der Mate­ri­al­forschung (FKZ: 13XP5063).

Veröf­fentlichung in Sci­ence Advances: 

Mag­net­ic-Field-Depen­dent Stim­u­lat­ed Emis­sion from Nitro­gen-Vacan­cy Cen­tres in Dia­mond, Hahl et al., Sci. Adv. 8, eabn7192 (2022) https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn7192