Demonstrator av en lasertröskelmagnetometer. Perspektivet visar kaviteten där forskarna mätte förstärkningen och magnetfältsberoende stimulerade emissioner. Kredit:Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF
Inom sjukvården mäts magnetfält av hjärt- och hjärnaktivitet för att upptäcka sjukdomar i ett tidigt skede. För att mäta även de minsta magnetfälten arbetar forskare vid Fraunhofer IAF med ett nytt tillvägagångssätt:diamantbaserad lasertröskelmagnetometri. Tanken är att använda diamant med en hög densitet av kvävevakanscentra i ett lasersystem. Nu har forskarna lyckats nå en milstolpe:De kunde demonstrera världens första mätning av magnetfältsberoende stimulerad emission och till och med sätta nytt kontrastrekord. Resultaten publicerades i tidskriften Science Advances .
Inom medicinsk diagnostik behövs känsliga sensorer för att till exempel mäta de svaga magnetfälten av hjärt- och hjärnaktivitet (MCG, MEG) i människokroppen och skapa bilder av kroppen via magnetisk resonanstomografi (MRT), vilket möjliggör detektering sjukdomar i ett tidigt skede. Men endast ett fåtal mycket känsliga magnetfältssensorer uppnår den nödvändiga precisionen och var och en av dem utgör stora tekniska hinder för klinisk tillämpning.
De redan etablerade SQUID-sensorerna kräver komplex kryogen kylning på cirka -270 °C. Ångcellsmagnetometrar (OPM) är ett annat alternativ. Även om dessa uppnår de högsta känsligheterna även utan kryogen kylning har de nackdelen att de kräver absolut avskärmning av alla bakgrundsfält, inklusive jordens magnetfält, och ställer därmed massiva strukturella krav på rum och byggnader. På grund av detta fortsätter de mer felaktiga elektriska mätningarna (EKG, EEG) att vara vanliga i den dagliga kliniska praktiken.
Vid Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF i Freiburg forskar ett projektteam redan på ett lämpligare alternativ:"Vårt mål är att utveckla en extremt känslig magnetfältssensor som fungerar vid rumstemperatur såväl som i närvaro av bakgrundsfält och är därför användbar för kliniska implementeringar", förklarar Dr. Jan Jeske, projektledare på Fraunhofer IAF.
Mätning av de minsta magnetfälten med diamant och laser
I projektet "NV-dopad CVD-diamant för ultrakänslig lasertröskelmagnetometri" (kort "DiLaMag") forskar Jeske och hans team på ett världsomspännande unikt tillvägagångssätt för högkänsliga kvantmagnetiska fältsensorer. För första gången använder de diamant i ett lasersystem, vilket möjliggör betydligt mer exakta magnetfältsmätningar.
För projektet är diamant dopad med en hög densitet av kvävevakanscentra (NV-centra). "På grund av dess materialegenskaper kan diamant med hög densitet av NV-centra förbättra mätprecisionen avsevärt när den används som lasermedium," förklarar Jeske. NV-centra i diamant är atomsystem som består av en kväveatom och en koldefekt. De absorberar grönt ljus och avger rött ljus. Eftersom fluorescensen hos dessa atomärt små NV-centra beror på styrkan hos ett externt magnetfält, kan de användas för att mäta magnetfält med hög lokal upplösning och god känslighet.
Diamantprovet har en hög NV-koncentration efter bestrålning, vilket är ansvarigt för den rosa färgen. Kredit:Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF
Första experimentella demonstration av lasertröskelmagnetometri
Efter flera års forskningsansträngning har Jeskes team nått en viktig milstolpe:Det har visat världens första mätning av magnetfältsberoende stimulerad emission. Under processen gjorde forskarna en intressant upptäckt:"Vi observerade en mycket relevant och tidigare okänd fysisk process i NV-diamant:absorptionen av rött ljus inducerat av grön laserbestrålning," rapporterar Jeske.
Genom att använda NV-diamant som lasermedium uppnådde de inte bara en 64-procentig förstärkning av signaleffekten genom stimulerad emission. Projektgruppen kunde till och med sätta ett världsomspännande rekord:Den magnetfältsberoende emissionen visar en kontrast på 33 procent och en maximal uteffekt i mW-regimen. Detta är ett nytt kontrastrekord inom magnetometri med NV-ensembler.
Stimulerad emission är ansvarig för detta. "Vi kunde visa att det här rekordet inte skulle ha varit möjligt med spontan emission. Således har vi experimentellt demonstrerat den teoretiska principen för lasertröskelmagnetometri för första gången", betonar Jeske.
Dessa resultat visar också fördelarna med diamantbaserad lasertröskelmagnetometri jämfört med konventionella metoder och bevisar att det är möjligt att mäta de minsta magnetfälten.
Stora framsteg med att producera NV-diamanter
Konceptet med lasertröskelmagnetometri fungerar bara om diamant har en mycket hög densitet av NV-centra samtidigt som den behåller goda optiska egenskaper. Av denna anledning har projektgruppen gjort ett omfattande materialarbete för att optimera diamant därefter. Detta arbete inkluderar å ena sidan produktion av diamant genom CVD (kemisk ångdeposition) och å andra sidan efterbearbetning genom elektronbestrålning och temperaturbehandling för en ökning av NV-densiteten.
Under diamanttillväxt genom CVD, som möjliggör mycket exakt och kontrollerad integrering av NV-centra, kunde forskarna redan uppnå en hög kvävedopning. Med hjälp av elektronbestrålning bestämde de sedan en optimal fluens för kvävetäthet, vilket resulterade i en 20 till 70-faldig ökning av NV-densiteten. Absorptionsspektra gjorde det möjligt för dem att följa bildandet av NV-centra live.
Under karakteriseringen fastställde de korrelationerna mellan tre avgörande faktorer för optimala NV-ensembler och optimerade dem:en hög NV-densitet, en hög omvandling av substituerat kväve med hög fluensbestrålning och en hög laddningsstabilitet. Som ett resultat av dessa detaljerade studier har teamet vid Fraunhofer IAF för första gången lyckats producera CVD-diamant med en hög densitet av NV-centra och i god kvalitet, vilket skapar förutsättningen för utvecklingen av diamantbaserad lasertröskelmagnetometri för mätning av extremt små magnetfält. + Utforska vidare
