Mit Quantensensoren auf Basis von Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV-Zentren) in Diamant erhalten Forscher bereits präzise Daten zu Magnetfeldern. Messungen bei Raumtemperatur und Hintergrundmagnetfeldern sind möglich. Die auf Quantensensoren basierende Laserschwellen-Magnetometrie (LSM) ist ein weltweit neuartiger Forschungsansatz, mit dem sich auch kleinste Magnetfelder im Bereich von Femtotesla (fT) bis Pikotesla (pT) erfassen lassen sollen. Ihr Vorteil ist, dass sie Messungen mit einem hohen dynamischen Bereich ermöglicht, ohne dass Hintergrundfelder unterdrückt werden müssen. Diese Merkmale machen die Laserschwellen-Magnetometrie besonders nützlich für medizinische Anwendungen, wie das Messen biomagnetischer Signale des Gehirns oder des Herzens.
Prinzip der Laserschwellen-Magnetometrie
Die Forschenden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF arbeiten nun daran, ein erstes Laserschwellen-Magnetometer aufzubauen. Dazu entwickeln sie einen Laser aus NV-Zentren und gewinnen gleichzeitig mithilfe von Laserlicht, das auf Magnetfelder reagiert, präzise Informationen über die Stärke und die Richtung eines Magnetfelds.
Die Laserschwelle ist der Punkt, an dem der Laser zu leuchten beginnt beziehungsweise aufhört. Da sich Magnetfelder nahe der Laserschwelle sehr stark auf das Signal auswirken, lassen sie sich an dieser Stelle besonders präzise messen. Verglichen mit Fluoreszenzlicht können Lasersignale wesentlich genauer und über einen größeren dynamischen Bereich gemessen werden.
Erstmalige Demonstration der Laserschwelle
2022 ist es den Forschenden am Fraunhofer IAF bereits gelungen, die weltweit erste magnetfeldabhängige Lichtverstärkung von NV-Zentren zu zeigen. Aufgrund der externen Laserquelle konnten sie die Laserschwelle der NV-Zentren jedoch noch nicht realisieren.
In den aktuellen Ergebnissen haben die Forschenden den NV-Diamanten mit einem zweiten Lasermedium in einem optischen Resonator kombiniert. Das zweite Medium ist eine Laserdiode zur zusätzlichen Lichtverstärkung. So konnten sie die Laserschwelle erstmals demonstrieren: Je nachdem, wie stark sie die NV-Zentren anregten, ging das Lasersystem an oder aus.
Patentanmeldung für das Lasersystem
„Die Ergebnisse sind ein Durchbruch für die Entwicklung der Laserschwellen-Magnetometrie“, sagt Dr. Jan Jeske, Forscher im Bereich Quantensensorik am Fraunhofer IAF. „Auf dieser Basis können in Zukunft Sensoren mit bis zu 100 Prozent Kontrast, starken Lichtsignalen und einem weiten Bereich von messbaren Magnetfeldstärken realisiert werden.“
Mobilität für Gelähmte
Das Neuroq -Konsortium aus Fraunhofer IAF, Charité – Universitätsmedizin Berlin, Universität Stuttgart und weiteren Industriepartnern arbeitet an hochpräzisen Quantensensoren für die medizinische Anwendung.
Quanten-Magnetfeldsensor für Prothesen, Exoskelette und Avatare
Aktuell entwickelt das Neuroq-Projektteam das NV-Diamant-Lasersystem weiter und will dessen Sensitivität erhöhen. Das System befindet sich derzeit im Prozess der Patentanmeldung.
Die Quantensensoren sollen künftig die Hirnaktivität messen und die Signale mithilfe einer Gehirn-Computer-Schnittstelle (Brain-Computer-Interface) an ein Exoskelett weiterleiten. Die Technologie soll es Gelähmten ermöglichen, ein Exoskelett mit ihren Gedanken zu steuern und so einen Teil ihrer Mobilität wiederzuerlangen.
https://doi.org/10.1126/sciadv.adj3933
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