Magnetfeldsensoren auf Basis von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamant, kurz NV-Zentren, zählen zu den wichtigsten Festkörper-Quantensensoren. Sie arbeiten bei Raumtemperatur, lassen sich kompakt integrieren und können neben der Stärke auch die Richtung eines Magnetfelds bestimmen (Vektormagnetometrie). Jüngste Fortschritte haben ihre Empfindlichkeit bis in den Sub-pT/-Bereich verbessert, sodass sie nun ungefähr in der Größenordnung liegt, die für die Messung von Herzsignalen erforderlich ist. Bislang mussten Forschende jedoch stets einen Kompromiss eingehen: Sensoren mit sehr hoher Empfindlichkeit besaßen nur einen sehr kleinen Dynamikbereich, während robustere Varianten mit einem großen Dynamikbereich deutlich unempfindlicher waren.

Mit der Laserschwellen-Magnetometrie verfolgen die Forschenden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF einen Ansatz, der diesen Zielkonflikt entschärft und ein hohes Empfindlichkeitslimit mit einem großen Dynamikbereich verbindet: Die NV-Zentren in Diamant werden direkt als optisches Element in den Resonator eines Lasers integriert, wo sie als magnetfeldabhängiger Verlustkanal fungieren. Statt der NV-Fluoreszenz lesen die Forschenden das Lasersignal des Systems aus.

Erstmals 100 Prozent optischer Kontrast

In der aktuellen Veröffentlichung demonstrieren die Forschenden ein solches Laserschwellen-Magnetometer mit zwei Medien. Durch die starke Kopplung der NV-Zentren an das Lichtfeld in der Kavität reagieren die Eigenschaften des kombinierten Sensors empfindlich auf Magnetfeldänderungen. Das Lasersystem erreicht so einen optischen Kontrast von 100 Prozent statt der für die NV-Magnetometrie typischen wenigen Prozent und liefert gleichzeitig ein robustes, kohärentes Lasersignal mit einer Leistung von bis zu 50 Milliwatt, verglichen mit den deutlich schwächeren NV-Fluoreszenzsignalen.

Diese Kombination aus hohem Kontrast und starkem Signal führt zu einer Empfindlichkeit von unter 400 fT/ für alle drei Komponenten des Magnetfeldvektors, sofern das Limit des Photonenschrotrauschens als dominierende Rauschquelle angenommen wird. Zudem zeigten die Forschenden erstmals experimentell, dass sich dieses Empfindlichkeitslimit bei Annäherung an einen optischen Kontrast von 100 Prozent überlinear mit dem optischen Kontrast verbessert.

Bis zu 590-fache Verbesserung im Vergleich zum Stand der Technik

Entscheidend ist das Verhältnis zwischen Empfindlichkeitslimit und Dynamikbereich, da sich beide Größen typischerweise nur zulasten des jeweils anderen verbessern lassen. Im Vergleich zu herkömmlichen fluoreszenzbasierten NV-Sensoren und Gaszellen-Magnetometern erreicht das NV-Diamant-Lasersystem eine Verbesserung dieses Verhältnisses um den Faktor bis zu 590 bei gleichzeitig erhaltener Vektorfähigkeit.

»Mit unserem Ansatz können wir potenziell einen Zielkonflikt lösen, der die Entwicklung und Anwendungen von Magnetfeldsensoren lange limitiert hat. Damit rückt eine neue Generation mobiler, hochempfindlicher Magnetfeldsensoren in greifbare Nähe«, erklärt Florian Schall, Erstautor des Papers und Quantensensorik-Forscher am Fraunhofer IAF.

Dr. Jan Jeske, Leiter der Gruppe Quantensensorik am Fraunhofer IAF, hatte die Idee, mit einem NV-Diamant ein magnetfeldabhängiges Lasersystem zu realisieren, bereits vor etwa 10 Jahren erstmals theoretisch durchgerechnet. »Die Verbesserung von mehreren Größenordnungen für die Sensorik hat uns motiviert, die Laserschwellen-Magnetometrie langfristig weiterzuverfolgen. Es macht mich sehr glücklich, zu sehen, dass die magnetfeldabhängige Verschiebung der Laserschwelle nun experimentell vollständig nachgewiesen wurde«, so Jeske.

Potenzielle Einsatzfelder für diese Quantensensoren umfassen die Untersuchung von Herz-, Muskel- und Hirnaktivität, die Magnetnavigation sowie die Detektion magnetischer Anomalien, etwa bei der Rohstofferkundung oder Sicherheitstechnik.