' Werelds eerste meting van magnetisch veldafhankelijke gestimuleerde emissie'

Demonstrator eines Laserschwellen-Magnetometers. Die Perspektive zeigt die Kavität, in der die Verstärkung und magnetfeldabhängige stimulierte Emission gemessen wurden. © Fraunhofer IAF / Demonstrator eines Laser-Schwellen-Magnetometers. Die Perspektive zeigt die Kavität, in der die Wissenschaftler die Verstärkung und die magnetfeldabhängige stimulierte Emission gemessen haben. © Fraunhofer IAF

De meting toont het contrastrecord van bijna 33 procent bij gestimuleerde magnetisch veld-afhankelijke emissie (blauw) in vergelijking met spontane emissie (rood). © Fraunhofer IAF / De meting toont het contrastrecord van bijna 33 procent voor gestimuleerde magnetisch veld-afhankelijke emissie (blauw) in vergelijking met spontane emissie (rood). © Fraunhofer IAF

In de geneeskunde worden magnetische velden van hart- en hersenactiviteit gemeten om ziekten vroegtijdig te diagnosticeren. Om ook de kleinste magnetische velden te meten, werken onderzoekers van het Fraunhofer IAF aan een nieuwe aanpak: de diamant-gebaseerde laser-drempel-magnetometrie. Hierbij wordt diamant met een hoge dichtheid aan stikstof-vakanzentren in een lasersysteem gebruikt. Nu is het de onderzoekers gelukt een belangrijke mijlpaal te bereiken: ze konden de wereldwijde eerste meting van magnetisch veldafhankelijke gestimuleerde emissie aantonen en zelfs een nieuw contrastrecord vestigen. Hiermee hebben ze voor het eerst het principe van de laser-drempel-magnetometrie gedemonstreerd. De resultaten zijn gepubliceerd in het vakblad Science Advances.

In de medische diagnostiek zijn gevoelige sensoren nodig om bijvoorbeeld de zwakke magnetische velden van hart- en hersenactiviteit (MKG, MEG) van het menselijk lichaam te meten. Verfahren die gebaseerd zijn op de detectie van magnetische velden, zoals de magnetische resonantiebeeldvorming (MRI), maken het mogelijk om ziekten vroegtijdig te diagnosticeren. De benodigde precisie wordt echter slechts door enkele hoogsensitieve magnetische veldsensoren bereikt, die elk grote technische obstakels vormen voor klinisch gebruik. De reeds gevestigde SQUID-sensoren vereisen een uitgebreide koeling tot zeer lage temperaturen van ca. -270 °C. Een andere mogelijkheid zijn optisch gepumpte gascelmagnetometers (OPMs). Deze bereiken ook zonder cryogene koeling hoge gevoeligheden, maar hebben als nadeel dat ze een absolute afscherming van alle achtergrondvelden, inclusief het aardmagnetisch veld, vereisen en daarmee grote bouwtechnische eisen stellen aan ruimtes en gebouwen. Daarom worden in de klinische praktijk nog steeds de minder nauwkeurige elektrische metingen (ECG, EEG) gebruikt.

Bij het Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg werkt een projectteam al aan een geschiktere alternatieve oplossing: »Ons doel is het ontwikkelen van een uiterst gevoelige magnetische veldsensor die bij kamertemperatuur werkt, evenals in aanwezigheid van achtergrondvelden, en daarmee praktisch toepasbaar is in de kliniek«, legt Dr. Jan Jeske uit, projectleider bij het Fraunhofer IAF.

Met diamant en laser kleinste magnetische velden meten

In het door het Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderde project »NV-gedoteerde CVD-diamant voor ultra-gevoelige laser-drempel-magnetometrie« (kort: DiLaMag) werkt Jeske samen met zijn team aan een wereldwijd nieuwe aanpak voor hooggevoelige kwantum-magnetometers: diamant moet voor het eerst in een lasersysteem worden gebruikt, waardoor veel preciezere magnetische veldmetingen mogelijk worden.

Voor het project wordt diamant uitgerust met een hoge dichtheid aan stikstof-vakanzentren (NV-centra). »Vanwege zijn materiaaleigenschappen kan diamant met een hoge dichtheid aan NV-centra de meetnauwkeurigheid aanzienlijk verbeteren wanneer het als lasersysteem wordt gebruikt«, legt Jeske uit. NV-centra in diamant zijn atomare systemen bestaande uit een stikstof-atoom en een koolstof-defect. Ze absorberen groen licht en zenden rood licht uit. Omdat de luminescentie van deze atomare NV-centra afhankelijk is van de sterkte van een extern magnetisch veld, kunnen ze worden gebruikt om magnetische velden met hoge lokale resolutie en goede gevoeligheid te meten.

Eerste experimentele demonstratie van de laser-drempel-magnetometrie

Na jarenlange onderzoeksinspanningen heeft het team onder leiding van Jeske een belangrijke mijlpaal bereikt: het heeft de wereldwijde eerste meting van magnetisch veldafhankelijke gestimuleerde emissie gedemonstreerd. Daarbij hebben de onderzoekers een interessante ontdekking gedaan: »We observeerden een zeer relevante en tot nu toe onbekende fysische proces in NV-diamant: de door groene laserstraling geïnduceerde absorptie van rood licht«, meldt Jeske.

Met NV-diamant als lasersysteem hebben ze niet alleen een versterking van de signaalsterkte door gestimuleerde emissie met 64 procent bereikt. Het projectteam kon zelfs een wereldrecord vestigen: de magnetisch veldafhankelijke emissie vertoont een contrast van 33 procent en een maximale uitgangsvermogen in de mW-klasse. Dit is een nieuw contrastrecord in de magnetometrie met NV-ensembles.

Verantwoordelijk hiervoor is de gestimuleerde emissie. »We konden aantonen dat dit record niet mogelijk zou zijn geweest met spontane emissie. Daarmee hebben we voor het eerst het theoretische principe van de laser-drempel-magnetometrie experimenteel gedemonstreerd«, benadrukt Jeske.

Deze resultaten tonen bovendien de voordelen van diamant-gebaseerde laser-drempel-magnetometrie ten opzichte van conventionele methoden en bewijzen dat het mogelijk is om de kleinste magnetische velden te meten.

Grote vorderingen bij de productie van NV-diamant

Het concept van de laser-drempel-magnetometrie werkt alleen als diamant een zeer hoge dichtheid aan NV-centra heeft en tegelijkertijd goede optische eigenschappen behoudt. Daarom heeft het projectteam uitgebreide materiaalkundige werkzaamheden uitgevoerd om diamant dienovereenkomstig te optimaliseren. Deze werkzaamheden omvatten onder andere de productie van diamant via CVD (Chemical Vapour Deposition) en de nabewerking door elektronenbestraling en temperatuurbehandeling om de NV-dichtheid te verhogen.

Bij de diamantgroei via CVD, wat een zeer precieze en gecontroleerde ingebruikname van NV-centra mogelijk maakt, hebben de onderzoekers al een hoge stikstof-dotering bereikt. Via elektronenbestraling hebben ze vervolgens een optimale fluentie voor de stikstofdichtheid vastgesteld en daarmee de NV-dichtheid met een factor 20 tot 70 verhoogd. Absorptiespectra maakten het mogelijk om de vorming van NV-centra live te volgen. Bij de karakterisering hebben ze de verbanden tussen drie belangrijke factoren voor optimale NV-ensembles vastgesteld en geoptimaliseerd: een hoge NV-dichtheid, een hoge omzetting van gesubstitueerd stikstof door bestraling met hoge fluentie, en een hoge ladingsstabiliteit. Dankzij deze uitgebreide studies is het het team van het Fraunhofer IAF voor het eerst gelukt om CVD-diamant met een hoge dichtheid aan NV-centra en goede kwaliteit te produceren, waarmee de basis is gelegd voor de ontwikkeling van diamant-gebaseerde laser-drempel-magnetometrie voor het meten van kleinste magnetische velden.

De RMIT University (Australië), de National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology (Japan) en het College of Staten Island (VS) werkten mee aan de wetenschappelijke publicatie.

Het Bundesministerium für Bildung und Forschung subsidieert DiLaMag binnen het kader van de jong talent competitie »NanoMatFutur« – een maatregel ter bevordering van hooggekwalificeerd wetenschappelijk talent in het veld van materiaalonderzoek (FKZ: 13XP5063).

Publicatie in Science Advances:
Magnetic-Field-Dependent Stimulated Emission from Nitrogen-Vacancy Centres in Diamond, Hahl et al., Sci. Adv. 8, eabn7192 (2022)
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn7192

Andere wetenschappelijke publicaties:
– Creation of nitrogen-vacancy centers in chemical vapor deposition diamond for sensing applications, T Luo et al 2022 New J. Phys. 24 033030; https://doi.org/10.1088/1367-2630/ac58b6
– Manipulation of the In Situ Nitrogen-Vacancy Doping Efficiency in CVD-Grown Diamond, J. Langer et al, Phys. Status Solidi A 2022, 2100756; https://doi.org/10.1002/pssa.202100756