NV-Diamant im Halbleiterlaser Magnetfelder optisch messen: Was die Messwerte wirklich aussagen

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Ein NV-Diamant im Resonator eines Halbleiterlasers macht Magnetfeldänderungen über eine Verschiebung der Laserschwelle messbar. Fraunhofer-Forscher demonstrieren 100-prozentigen optischen Kontrast und berechnen ein photonenschrotrauschbegrenztes Empfindlichkeitslimit von unter 400 fT/√Hz.

Magnetometer mit Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (NV-Zentren) in Diamant können bei Raumtemperatur arbeiten und Magnetfelder vektoriell erfassen. Bisher musste man bei ihnen meist zwischen Empfindlichkeit und Dynamikbereich abwägen. Ein Team des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF setzt deshalb bei der Auslese an: Statt die vergleichsweise schwache NV-Fluoreszenz zu messen, liest es das Signal eines Lasers aus.

Dazu wird der NV-Diamant in den Resonator eines Zweimedienlasers eingesetzt. Ein MECSEL ist ein Membran-External-Cavity-Surface-Emitting-Laser. Dieser liefert den optischen Gewinn, während der Diamant als magnetfeldabhängiger Absorber wirkt. Bei passender Mikrowellenanregung steigen die Verluste im Resonator. Wird das Lasersystem nahe seiner Schwelle betrieben, kann das Lasersignal vollständig abreißen. Eine Änderung des Magnetfeldes verschiebt über den Zeeman-Effekt die Resonanzfrequenz der NV-Zentren und verändert somit die Absorption und die Laserleistung.

Die veröffentlichte Arbeit demonstriert einen optischen Kontrast von 100 Prozent. Für die Einordnung sind jedoch zwei Einschränkungen wichtig: Die Empfindlichkeitswerte sind photonenschrotrauschbegrenzte Limits, keine gemessenen realen Empfindlichkeiten. Und die bis zu 590-fache Verbesserung bezieht sich auf einen Vergleich mit einer aus Literaturdaten abgeleiteten Trendlinie und nicht auf einen direkten Vergleich mit einem einzelnen Referenzsensor.

Für weitere Details habe ich mit Florian Schall gesprochen. Er forscht im Bereich Optoelektronik am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF.

Herr Schall, wie wird aus einer Magnetfeldänderung ein auslesbares Signal?

Florian Schall: Im Messaufbau wird eine Mikrowellenfrequenz über eine Leiterschlaufe an den NV-Diamanten angelegt. Sie wird auf den NV-Spinübergang abgestimmt. Bei Resonanz steigen die optischen Verluste im Lasersystem, und die ausgekoppelte Laserleistung sinkt. Der Laser wird nahe seiner Schwelle betrieben, sodass sich diese Änderung deutlich im Ausgangssignal bemerkbar macht.

Eine Magnetfeldänderung verschiebt über den Zeeman-Effekt die Energieniveaus der NV-Zentren und damit ihre Mikrowellen-Resonanzfrequenz. Bleibt die Mikrowellenfrequenz unverändert, entfernt sich das System dadurch von der Resonanz. Die Absorption der NV-Zentren nimmt ab, die Verluste im Resonator werden kleiner und die Laserleistung steigt. Diese Änderung des Lasersignals lässt sich detektieren und auf die Magnetfeldänderung zurückführen.

Für eine lineare Messung kann man die Mikrowellenfrequenz kontinuierlich modulieren und das Signal mit einem Lock-in-Verfahren demodulieren. So erhält man näherungsweise ein Ableitungssignal der lorentzförmigen ODMR-Resonanz. In einem begrenzten Bereich um die Resonanz ist dieses Signal linear: Eine lineare Änderung des Magnetfelds verschiebt die Resonanzfrequenz und führt entsprechend zu einer linearen Änderung des Lasersignals. Bei größeren Feldänderungen verlässt man diesen Bereich; das Signal wird nichtlinear oder verschwindet. Dieser lineare Arbeitsbereich bestimmt den Dynamikbereich der Messung.

Die NV-Zentren bilden dabei einen magnetfeldabhängigen Verlustkanal des Lasers. Werden sie mit grünem Licht gepumpt und liegt die Mikrowellenfrequenz auf der Spinresonanz, absorbieren sie mehr Licht im Resonator. Die Laserleistung sinkt. Eine Magnetfeldänderung verändert diese Absorption und damit die Laserleistung.

Bei einer konventionellen NV-Fluoreszenzmessung wird das Fluoreszenzlicht in viele Richtungen abgestrahlt. Ein möglichst großer Anteil davon muss optisch eingesammelt werden; der Kontrast zwischen den Spin-Zuständen beträgt häufig nur wenige Prozent. Bei der Laserschwellen-Magnetometrie ist das Messsignal dagegen ein gebündelter Laserstrahl, der sich gut auf einen Detektor führen lässt. Durch den Betrieb nahe der Laserschwelle kann der Unterschied zwischen den Spin-Zuständen stark verstärkt werden. So sind ein hoher optischer Kontrast und große absolute Signaländerungen möglich.

Was bedeuten die angegebenen Empfindlichkeitswerte?

Florian Schall: Die unterschiedlichen Werte stammen aus Messungen mit leicht unterschiedlichen Versuchseinstellungen, zum Beispiel mit verschiedenem Diamantmaterial. Die Messung mit dem höheren und damit schlechteren Empfindlichkeitslimit hat einen größeren Dynamikbereich. Die Konfiguration mit dem niedrigeren Empfindlichkeitslimit ist empfindlicher, hat dafür aber einen kleineren Dynamikbereich. Sie wurde ebenfalls in einer Vektorkonfiguration untersucht. Die Messungen zeigen damit den Zielkonflikt zwischen Empfindlichkeitslimit und Dynamikbereich.

Bei den angegebenen Werten handelt es sich um photonenschrotrauschbegrenzte Empfindlichkeitslimits. Sie beschreiben, welches Limit erreichbar wäre, wenn die übrigen Rauschquellen so weit reduziert sind, dass das Photonenschrotrauschen dominiert. Die Werte kennzeichnen daher das Potenzial des Aufbaus, sind aber keine direkt gemessenen realen Empfindlichkeiten. Eine frequenzaufgelöste Rauschanalyse des Aufbaus wurde in dieser Arbeit nicht durchgeführt; sie ist für weitere Arbeiten vorgesehen.

Wie sind Dynamikbereich und Verbesserungsfaktor definiert?

Florian Schall: Wir bestimmen den intrinsischen Dynamikbereich anhand der Linienbreite der ODMR-Resonanz. Eine breitere Resonanz entspricht einem größeren linearen Messbereich. Diese Definition ist in der resonanzbasierten Magnetometrie etabliert. In der Messung aus Bild 2a legten wir ein Hintergrundfeld von 3 mT an. Der intrinsische Dynamikbereich betrug dabei ±280 µT. Innerhalb dieses Bereichs kann sich das Magnetfeld während der Messung ändern, ohne dass das Messsignal verloren geht.

Für den Vergleich mit anderen Sensoren haben wir Messwerte verschiedener Magnetometer aus der Literatur herangezogen. Dazu zählen vor allem fluoreszenzbasierte NV-Sensoren, aber auch optisch gepumpte Gaszellen-Magnetometer. Verglichen werden jeweils das photonenschrotrauschbegrenzte Empfindlichkeitslimit und der aus der Linienbreite bestimmte intrinsische Dynamikbereich. Die konkreten Vergleichswerte stammen aus den jeweiligen Publikationen. Wo kein Empfindlichkeitslimit angegeben war, wurde stattdessen die gemessene Empfindlichkeit verwendet.

Der Verbesserungsfaktor ergibt sich aus der Position der Messpunkte im Vergleichsdiagramm: Dort werden Empfindlichkeitslimit und Dynamikbereich der Sensoren gegenübergestellt. Die schwarze Linie beschreibt den üblichen Zielkonflikt zwischen den beiden Größen; die roten Punkte stehen für unsere Messungen. Die Arbeit berichtet eine Verbesserung von bis zu einem Faktor 590 gegenüber dieser Referenz. Die Vektor- oder Skalar-Konfiguration der einzelnen Vergleichssensoren wurde dabei nicht systematisch vereinheitlicht.

Was bedeutet der optische Kontrast von 100 Prozent?

Florian Schall: Ein Kontrast von 100 Prozent bedeutet in unserem Experiment, dass die magnetische Resonanz der NV-Zentren das Lasersystem vollständig ausschalten kann. Der Wechsel zwischen Laser an und Laser aus lässt sich durch eine Änderung der Mikrowellenfrequenz oder des Magnetfelds auslösen. Wir haben diesen Effekt sowohl in einer skalaren als auch in einer Vektorkonfiguration demonstriert.

Der Effekt hängt stark von den Laser- und Mikrowellenleistungen sowie vom Betriebspunkt des Lasersystems ab. Höhere Mikrowellen- und Pump-Leistungen des grünen NV-Pumplasers können den Effekt verstärken, weil dadurch die NV-induzierten Verluste zunehmen. Wird das MECSEL, das ist das zweite Lasermedium im Resonator, jedoch so stark gepumpt, dass das Lasersystem weit oberhalb seiner Schwelle arbeitet, reichen die zusätzlichen Verluste der NV-Zentren nicht mehr aus, um den Laser abzuschalten. Das zeigen die unterschiedlichen Pump-Leistungskurven in Bild 2a des Papers (Link am Ende des Beitrags).

Eine grundsätzliche Begrenzung des möglichen Magnetfeldbereichs sehen wir nicht. Die Geschwindigkeit, mit der sich das Lasersystem ein- und ausschalten lässt, wird durch die Dynamik des NV-Zentrums begrenzt. Nach unserer Erfahrung liegt diese im Kilohertzbereich. Für Anwendungen wie die Messung von Herz-, Muskel- und Hirnsignalen sind langsam veränderliche Felder relevant. Der Einfluss wechselnder Umgebungsbedingungen wurde in der vorliegenden Arbeit allerdings nicht untersucht: Der Demonstrator ist ein Laboraufbau auf schwingungsgedämpften Tischen.

Was wurde zur Vektormessung gezeigt?

Florian Schall: Das hängt stark vom konkreten Aufbau ab. In der Arbeit haben wir die einzelnen Magnetfeldkomponenten nicht explizit als vollständig kalibrierten Vektormesswert bestimmt. Die Messungen in den Bildern 2b und 3b zeigen, dass sie grundsätzlich bestimmbar sind.

Mit NV-Magnetometrie lässt sich das Magnetfeld prinzipiell simultan in drei Komponenten erfassen. Dafür müssen mehrere NV-Orientierungen angesprochen werden. In einem simultanen Aufbau wären mehrere Mikrowellenquellen nötig, deren Signale über eine Antenne überlagert abgestrahlt werden. Die Mikrowellensignale können unterschiedlich moduliert und anschließend durch eine entsprechende Demodulation getrennt werden. Das erhöht die Anforderungen an den Aufbau und die Auswerteelektronik. Der optische Aufbau des Laserschwellen-Magnetometers muss dafür grundsätzlich nicht verändert werden.

Eine nicht simultane Vektormessung ist einfacher und wäre prinzipiell auch mit dem in der Arbeit gezeigten Aufbau möglich. Für die eindeutige Bestimmung des Magnetfeldvektors ist eine einmalige Kalibrierung erforderlich.

Welche Schritte stehen bis zu einem nutzbaren Sensor an?

Florian Schall: Zunächst müssen wir die Rauschquellen des Aufbaus genauer verstehen. Anschließend wollen wir untersuchen, mit welchen Methoden und in welchem Maß sich diese reduzieren lassen. Wir erwarten, dass sich bekannte Verfahren zur Rauschminimierung bei NV-Magnetometern und Lasern nutzen lassen, um die reale Empfindlichkeit näher an das Photonenschrotrauschlimit zu bringen.

Als Entwicklungsziel streben wir derzeit ein Sensormodul mit einer Grundfläche von etwa 10 cm x 15 cm an. Zu Bandbreite, Stabilität, Leistungsaufnahme und einer tatsächlich erreichbaren Baugröße können wir noch keine belastbaren Angaben machen. Diese Größen hängen außerdem stark von der jeweiligen Anwendung ab.

Im Projekt NeuroQ steht zunächst die Empfindlichkeit im Vordergrund. Die Magnetfelder der Hirnaktivität liegen nach unserer Einschätzung in einer Größenordnung von etwa 10 fT. Unser Ziel ist es, mit der realen Empfindlichkeit so schnell wie möglich in diesen Größenordnungsbereich vorzudringen. Die übrigen Sensoreigenschaften sind für dieses Projekt momentan nachrangig.

Fazit

Die Ergebnisse zeigen, dass sich bei der NV-basierten Magnetometrie ein hoher optischer Kontrast mit starken Lasersignalen verbinden lässt. Die Arbeit weist außerdem auf eine deutliche Verbesserung der Kombination aus Empfindlichkeitslimit und Dynamikbereich hin. Die Ergebnisse stammen jedoch aus einem Laboraufbau und beschreiben photonenschrotrauschbegrenzte Limits, nicht die reale Sensorleistung. Welche Spezifikationen ein einsatzfähiger Sensor erreichen wird und wann er verfügbar sein könnte, ist noch offen. (heh)

Die im Beitrag erwähnten Grafiken finden Sie im Link am Ende des Textes.

Magnetfeldsensor

Wenn das Magnetfeld den Laser ausschaltet

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