Echtzeit-3D-Magnetfeld-Mapping mit Diamant-NV-Zentren

• Neues Tool nutzt Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamant, um Magnetfelder in verschiedenen Richtungen simultan zu detektieren.
• Erzeugt 3D-Bild von Magnetfeldern in Echtzeit.
• Technologie nutzbar in kondensierter Materie, Biologie u. a.

Echtzeit-Erfassung dynamischer Vektormagnetfelder wird in zahlreichen Magnetometrie-Anwendungen benötigt: magnetische Navigation, biomagnetische Felddetektion und -imaging, magnetische Anomalieerkennung.

Skalarmagnetometer messen nur die Magnetfeldstärke, Vektorprojektionsmagnetometer die Projektion entlang einer Achse. Aber was, wenn man Magnetfelder in verschiedenen Richtungen gleichzeitig messen will?

Forscher der Harvard University entwickelten nun ein Tool, das Magnetfelder in fast allem detektieren kann – von kondensierten Materiesystemen bis zu feuernden Neuronen. Es nutzt einen der verschiedenen Punktdefekte im Diamanten: Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (NV-Zentren). Es kann Magnetfelder in verschiedenen Richtungen gleichzeitig erfassen.

Funktionsweise

Die Forscher unterzogen eine kleine 4-mm²-Diamantwafer vier verschiedenen Mikrowellensignalen. Jedes Signal war auf eine bestimmte NV-Orientierung konfiguriert und gedithert (Weißrauschen hinzugefügt, um Verzerrung niederamplitudiger Signale zu verringern) gemäß einem speziellen Frequenzmodulationsmuster. So konnten sie analysieren, wie sich individuelle NV-Orientierungen in verschiedenen Magnetfeldrichtungen verhielten.

Bisher war dies ein mühsamer, zeitaufwendiger Prozess regelmäßiger Wechsel zwischen Mikrowellenfrequenzen, um die Reaktion einer einzelnen NV-Orientierung nacheinander zu beobachten. Das neue Tool stellt signifikante Verbesserungen dar.

Die alte Technik funktioniert nicht für schnelle Prozesse wie biomagnetische Felder feuernder Neuronen – sie könnte nicht alle Informationen erfassen. Die neue Technik misst Magnetfelder in verschiedenen Richtungen gleichzeitig.

In dieser Studie sammelten Forscher einen kontinuierlichen Datenstrom vom Diamanten während das Magnetfeld fluktuierte. Das neue Tool verarbeitet diese Daten schneller, als es sie sammelt, sodass Forscher Amplitude und Richtung eines Magnetfelds in Echtzeit beobachten können.

Referenz: APSPhysics | doi:10.1103/PhysRevApplied.10.034044 | The Harvard Gazette

Das System baut auf Vorarbeit auf, die Diamant-NV-Zentren zur Identifikation neuronaler Signale bei Meereswürmern nutzte – ein Proof of Principle. Ein effektives Neurowissenschaftssystem muss mit Säugetierneuronen kompatibel sein, doch da feuernde Neuronen Magnetfelder in verschiedenen Richtungen erzeugen, ist der Bau solcher Systeme schwierig. Das neu entwickelte Tool löst all diese Probleme der Neuron-Magnetfeld-Sensorik.

Warum Stickstoff-Fehlstellen-Zentren?

Für diese Aufgabe sind NV-Zentren perfekt im Diamantgitter angeordnet. Jedes NV-Zentrum entsteht durch Ersetzen eines Kohlenstoffatoms durch ein Stickstoffatom und eine benachbarte Leerstelle. Da jedes Atom mit vier anderen verknüpft ist, gibt es vier mögliche NV-Orientierungen, jede empfindlich für Magnetfelder in dieser Richtung. So kann man vier NV-Zentrumsarten nutzen, um die Magnetfeldrichtung zu bestimmen.

Mit freundlicher Genehmigung der Forscher

Im Experiment platzierten Forscher eine Diamantwafer in einem im Labor erzeugten Magnetfeld und bestrahlten sie mit Laserlicht, wodurch das Mineral leuchtete. Als NV-Zentren auf Magnetfeldänderungen und das einzigartige Frequenzmodulationsmuster reagierten, änderte sich die Helligkeit der NV-Zentren signifikant.

Forscher verfolgten die Helligkeitsänderungen und erzeugten ein 3D-Bild des Magnetfelds. Nun ist es möglich, alle vier NV-Orientierungen gleichzeitig zu beobachten und das Magnetfeld in Echtzeit zu bestimmen. Wie vier verschiedene Radiosender gleichzeitig zu hören, die alle zusammen Sinn ergeben.

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Obwohl es eine kleine Verbesserung gegenüber anderen Wissenschaftlern ist, glauben die Autoren, ihre Technologie könne in verschiedenen Bereichen genutzt werden, einschließlich kondensierter Materie und Biologie.