In der medizinischen Diagnostik werden sensitive Sensoren benötigt, um beispielsweise die schwachen Magnetfelder der Herz- und Hirnaktivitäten (MKG, MEG) des menschlichen Körpers zu messen. Verfahren, die auf der Detektion von Magnetfeldern basieren, wie etwa die Magnetresonanztomographie (MRT), ermöglichen es, Krankheiten frühzeitig zu diagnostizieren. Die notwendige Präzision wird jedoch nur von wenigen hochsensitiven Magnetfeldsensoren erreicht, die jeweils große technische Hürden für die klinische Anwendung darstellen. Die bereits etablierten SQUID-Sensoren benötigen eine aufwendige Tieftemperatur-Kühlung von ca. -270 °C. Eine andere Möglichkeit sind optisch gepumpte Gaszellenmagnetometer (OPMs). Diese erreichen zwar auch ohne eine kryogene Kühlung höchste Sensitivitäten, haben jedoch den Nachteil, dass sie eine absolute Abschirmung aller Hintergrundfelder, also auch des Erdmagnetfelds, benötigen und somit massive bautechnische Anforderungen an Räume und Gebäude stellen. Deshalb sind im klinischen Alltag weiterhin die ungenaueren elektrischen Messungen (EKG, EEG) gängig.
Am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg forscht ein Projektteam bereits an einer geeigneteren Alternative: "Unser Ziel ist es, einen extrem sensiblen Magnetfeldsensor zu entwickeln, der bei Raumtemperatur sowie auch bei vorhandenen Hintergrundfeldern funktioniert und damit praktikabel in der klinischen Umsetzung ist", erklärt Dr. Jan Jeske, Projektleiter am Fraunhofer IAF.
In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt "NV-dotierter CVD-Diamant für ultra-sensitive Laserschwellen-Magnetometrie" (kurz: DiLaMag) forscht Jeske mit seinem Team an einem weltweit neuen Ansatz für hochsensitive Quanten-Magnetfeldsensoren: Diamant soll zum ersten Mal in einem Lasersystem eingesetzt werden und damit erheblich präzisere Magnetfeld-Messungen ermöglichen.
Für das Vorhaben wird Diamant mit einer hohen Dichte an Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV-Zentren) ausgestattet. "Aufgrund seiner Materialeigenschaften kann Diamant mit einer hohen Dichte an NV-Zentren die Messpräzision wesentlich verbessern, wenn er als Lasermedium eingesetzt wird", erläutert Jeske. NV-Zentren in Diamant sind atomare Systeme aus einem Stickstoff-Atom und einer Kohlenstoff-Fehlstelle. Sie absorbieren grünes Licht und emittieren rotes Licht. Da die Leuchtkraft dieser atomar kleinen NV-Zentren von der Stärke eines äußeren Magnetfeldes abhängt, können sie genutzt werden, um Magnetfelder mit hoher lokaler Auflösung und guter Empfindlichkeit zu messen.
Nach mehrjähriger Forschungsanstrengung hat das Team um Jeske einen wichtigen Meilenstein erreicht: Es hat die weltweit erste Messung magnetfeldabhängiger stimulierter Emission demonstriert. Dabei haben die Forschenden eine interessante Entdeckung gemacht: "Wir beobachteten einen sehr relevanten und bisher in NV-Diamant unbekannten physikalischen Prozess: die durch grüne Lasereinstrahlung induzierte Absorption roten Lichts", berichtet Jeske.
Mit NV-Diamant als Lasermedium haben sie nicht nur eine Verstärkung der Signalleistung durch stimulierte Emission um 64 Prozent erreicht. Das Projektteam konnte sogar einen weltweiten Rekord verbuchen: Die magnetfeldabhängige Emission zeigt einen Kontrast von 33 Prozent und eine maximale Ausgangsleistung im mW-Bereich. Dies ist ein neuer Kontrast-Rekord in der Magnetometrie mit NV-Ensembles.
Verantwortlich dafür ist die stimulierte Emission. "Wir konnten zeigen, dass dieser Rekord mit spontaner Emission nicht möglich gewesen wäre. Somit haben wir das theoretische Prinzip der Laserschwellen-Magnetometrie erstmals experimentell demonstriert", betont Jeske. Diese Ergebnisse zeigen zudem die Vorteile von diamantbasierter Laserschwellen-Magnetometrie gegenüber konventionellen Methoden und beweisen, dass damit die Messung kleinster Magnetfelder möglich ist.
COMPAMED.de; Quelle: Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF
