In de medische zorg worden magnetische velden van hart- en hersenactiviteit gemeten om ziekten in een vroeg stadium op te sporen. Om zelfs de kleinste magnetische velden te meten, werken onderzoekers van Fraunhofer IAF aan een nieuwe aanpak:op diamanten gebaseerde laserdrempelmagnetometrie. Het idee is om diamant met een hoge dichtheid aan stikstof-leegstandscentra in een lasersysteem te gebruiken. Nu zijn de onderzoekers erin geslaagd een mijlpaal te bereiken:ze waren in staat om 's werelds eerste meting van magneetveldafhankelijke gestimuleerde emissie te demonstreren en zelfs een nieuw contrastrecord te vestigen. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances .

In de medische diagnostiek zijn gevoelige sensoren nodig om bijvoorbeeld de zwakke magnetische velden van hart- en hersenactiviteit (MCG, MEG) van het menselijk lichaam te meten en beelden van het lichaam te maken via magnetische resonantiebeeldvorming (MRI), waarmee de detectie van ziekten in een vroeg stadium. Slechts een paar zeer gevoelige magneetveldsensoren bereiken echter de noodzakelijke precisie en elk van hen biedt grote technische obstakels voor klinische toepassing.

De reeds gevestigde SQUID-sensoren vereisen complexe cryogene koeling van ongeveer -270 °C. Vapor cell magnetometers (OPM's) zijn een andere optie. Hoewel deze zelfs zonder cryogene koeling de hoogste gevoeligheden bereiken, hebben ze het nadeel dat ze een absolute afscherming van alle achtergrondvelden, inclusief het aardmagnetisch veld, vereisen en dus enorme structurele eisen stellen aan kamers en gebouwen. Hierdoor blijven de meer onnauwkeurige elektrische metingen (ECG, EEG) gebruikelijk in de dagelijkse klinische praktijk.

Bij het Fraunhofer Instituut voor Toegepaste Vaste-stoffysica IAF in Freiburg onderzoekt een projectteam al een geschikter alternatief:"Ons doel is om een ​​extreem gevoelige magneetveldsensor te ontwikkelen die zowel bij kamertemperatuur als in de aanwezigheid van achtergrondvelden werkt. en is dus nuttig voor klinische implementaties", legt Dr. Jan Jeske, projectmanager bij Fraunhofer IAF, uit.

De kleinste magnetische velden meten met diamant en laser

In het project "NV-gedoteerde CVD-diamant voor ultragevoelige laserdrempelmagnetometrie" (afgekort "DiLaMag") onderzoeken Jeske en zijn team een ​​wereldwijd unieke benadering voor zeer gevoelige kwantummagneetveldsensoren. Voor het eerst gebruiken ze diamant in een lasersysteem, waardoor ze aanzienlijk nauwkeurigere magnetische veldmetingen mogelijk maken.

Voor het project wordt diamant gedoteerd met een hoge dichtheid van stikstof-leegstandcentra (NV-centra). "Vanwege zijn materiaaleigenschappen kan diamant met een hoge dichtheid van NV-centra de meetnauwkeurigheid enorm verbeteren bij gebruik als lasermedium", legt Jeske uit. NV-centra in diamant zijn atomaire systemen bestaande uit een stikstofatoom en een koolstofdefect. Ze absorberen groen licht en zenden rood licht uit. Omdat de fluorescentie van deze atomair kleine NV-centra afhankelijk is van de sterkte van een extern magnetisch veld, kunnen ze worden gebruikt om magnetische velden te meten met een hoge lokale resolutie en een goede gevoeligheid.

Eerste experimentele demonstratie van laserdrempelmagnetometrie

Na een aantal jaren van onderzoeksinspanningen heeft Jeske's team een ​​belangrijke mijlpaal bereikt:het heeft 's werelds eerste meting van magnetische veldafhankelijke gestimuleerde emissie aangetoond. Tijdens het proces deden de onderzoekers een interessante ontdekking:"We hebben een zeer relevant en voorheen onbekend fysiek proces waargenomen in NV-diamant:de absorptie van rood licht veroorzaakt door bestraling met groene laser", meldt Jeske.

Met NV-diamant als lasermedium bereikten ze niet alleen een versterking van 64 procent van het signaalvermogen door gestimuleerde emissie. Het projectteam wist zelfs een wereldwijd record te vestigen:de van het magnetische veld afhankelijke emissie vertoont een contrast van 33 procent en een maximaal uitgangsvermogen in het mW-regime. Dit is een nieuw contrastrecord in magnetometrie met NV-ensembles.

Gestimuleerde emissie is hiervoor verantwoordelijk. "We hebben kunnen aantonen dat dit record niet mogelijk zou zijn geweest met spontane emissie. Daarom hebben we voor het eerst het theoretische principe van laserdrempelmagnetometrie experimenteel gedemonstreerd", benadrukt Jeske.

Deze resultaten tonen ook de voordelen van op diamanten gebaseerde laserdrempelmagnetometrie ten opzichte van conventionele methoden en bewijzen dat het mogelijk is om de kleinste magnetische velden te meten.

Grote vooruitgang in de productie van NV-diamant

Het concept van laserdrempelmagnetometrie werkt alleen als diamant een zeer hoge dichtheid aan NV-centra heeft met behoud van goede optische eigenschappen. Om deze reden heeft het projectteam uitgebreid materiaalwerk verricht om diamant dienovereenkomstig te optimaliseren. Dit werk omvat enerzijds de productie van diamant door CVD (chemische dampafzetting) en anderzijds nabewerking door elektronenbestraling en temperatuurbehandeling voor een verhoging van de NV-dichtheid.

Tijdens diamantgroei door CVD, die een zeer nauwkeurige en gecontroleerde integratie van NV-centra mogelijk maakt, konden de onderzoekers al een hoge stikstofdoping bereiken. Met behulp van elektronenbestraling bepaalden ze vervolgens een optimale fluentie voor stikstofdichtheid, wat resulteerde in een 20 tot 70-voudige toename van de NV-dichtheid. Dankzij absorptiespectra konden ze de vorming van de NV-centra live volgen.

Tijdens de karakterisering hebben ze de correlaties tussen drie cruciale factoren voor optimale NV-ensembles vastgesteld en geoptimaliseerd:een hoge NV-dichtheid, een hoge conversie van gesubstitueerde stikstof met behulp van hoge fluence-bestraling en een hoge ladingsstabiliteit. Als resultaat van deze gedetailleerde studies is het team van Fraunhofer IAF er voor het eerst in geslaagd om CVD-diamant te produceren met een hoge dichtheid van NV-centra en in goede kwaliteit, waardoor de voorwaarde werd geschapen voor de ontwikkeling van op diamanten gebaseerde laserdrempelmagnetometrie voor het meten van extreem kleine magnetische velden. + Verder verkennen

Op weg naar superieure detectie en beeldvorming op nanoschaal met geoptimaliseerde diamantsondes