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Quantensensor: Diamantlasersystem misst Magnetfelder erstmals mit maximalem optischen Kontrast
Magnetfelder aus dem Rauschen holen: Ein neuartiger Quantensensor nutzt einen Laser, um winzige magnetische Veränderungen optisch auszulesen. Im Experiment erreicht das System 100 Prozent Kontrast bei gleichzeitig starkem Lichtsignal und großem Messbereich. Damit könnte ein bisheriger Zielkonflikt überwunden werden. Allerdings ist die außergewöhnliche Messempfindlichkeit bislang nur als idealisierte Rauschgrenze bestimmt.
Freiburg (Deutschland). Magnetfelder verraten, wo elektrische Ströme fließen, ob im menschlichen Körper oder tief unter der Erde. Doch besonders schwache Felder lassen sich außerhalb abgeschirmter Labore nur schwer erfassen. Viele hochempfindliche Messverfahren können zudem nur einen engen Bereich unterschiedlicher Feldstärken abdecken.
Eine mögliche Alternative steckt in Diamanten: Winzige Stickstoff-Fehlstellen im Kristallgitter dienen darin als Quantensensoren. Neben einem Stickstoffatom fehlt jeweils ein Kohlenstoffatom. Der Elektronenspin dieses Stickstoff-Fehlstellen-Zentrums, kurz NV-Zentrum, reagiert auf Magnetfelder und lässt sich über Licht auslesen. Doch das übliche Fluoreszenzsignal verändert sich dabei oft nur um wenige Prozent.
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik (IAF) um Florian Schall haben nun einen anderen optischen Messweg erprobt. Sie integrierten einen Diamanten mit NV-Zentren direkt in den Resonator eines Lasers. Dadurch beeinflussen die magnetisch empfindlichen Gitterfehler nicht nur ein schwaches Leuchten, sondern die Leistung des Lasers selbst.
Der Trick besteht darin, nahe an der sogenannten Laserschwelle zu arbeiten. Je nach Quantenzustand der NV-Zentren schluckt der Diamant unterschiedlich viel Licht. Das verändert die Schwelle, oberhalb derer das Lasersystem Licht aussendet, und macht einen kleinen magnetisch bedingten Unterschied besonders deutlich.
Im Experiment konnten die Forscher den Laser durch eine passende Mikrowellenanregung der NV-Zentren vollständig ausschalten. Im eingeschalteten Zustand erreichte das Lichtsignal bis zu 50 Milliwatt Leistung. Der Unterschied zwischen beiden Zuständen entspricht einem optischen Kontrast von 100 Prozent, statt der sonst üblichen wenigen Prozent.
Auch die Richtung eines Magnetfelds bleibt zugänglich. Dazu trennten die Wissenschaftler die Signale der vier unterschiedlich ausgerichteten NV-Zentren im Diamant. So lässt sich aus den Resonanzen nicht nur die Feldstärke, sondern auch der Magnetfeldvektor mit seinen drei Raumkomponenten bestimmen.
Gerade darin liegt ein Vorteil des Aufbaus: Bei vielen bisherigen Sensoren erkauft man sich hohe Empfindlichkeit durch einen kleinen nutzbaren Messbereich. Eine Konfiguration des Diamant-Lasers deckte dagegen einen linearen Bereich von minus 280 bis plus 280 Mikrotesla ab. Das ist beispielsweise für Messungen bei wechselnden Hintergrundfeldern interessant.
Aus den gemessenen Resonanzkurven errechnete das Team außerdem für eine andere Konfiguration eine Empfindlichkeitsgrenze von weniger als 400 Femtotesla pro Wurzel Hertz in allen drei Raumrichtungen. Diese Zahl gilt allerdings nur, wenn das unvermeidbare statistische Rauschen der Lichtteilchen die Messung begrenzt. Ein entsprechend niedriger gesamter Rauschpegel wurde im praktischen Sensorbetrieb damit noch nicht nachgewiesen.
Vergleicht man den großen Messbereich mit dieser idealisierten Empfindlichkeitsgrenze, ergibt sich laut Studie ein Vorteil um den Faktor bis zu 590 gegenüber typischen fluoreszenzbasierten Diamant- und Atomdampf-Magnetometern. Das bedeutet nicht, dass jede Einzelmessung 590-mal genauer wäre. Der Vergleich bezieht sich ausdrücklich auf das Verhältnis der beiden Sensoreigenschaften.