Magnetfeldsensor Wenn das Magnetfeld den Laser ausschaltet

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Ein NV-Diamant im Resonator eines Halbleiterlasers macht Magnetfeldänderungen am Lasersignal sichtbar. Fraunhofer-Forschende berichten von 100 Prozent optischem Kontrast und einer bis zu 590-fachen Verbesserung einer Kennzahl für Empfindlichkeit und Dynamikbereich.

Magnetometer auf Basis von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (NV-Zentren) in Diamant können bei Raumtemperatur arbeiten und neben der Stärke auch die Richtung eines Magnetfelds bestimmen. Ein Zielkonflikt erschwerte bislang ihre Weiterentwicklung: Eine hohe Empfindlichkeit geht häufig mit einem kleinen Dynamikbereich einher – und umgekehrt.

Ein Team des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF stellt nun einen anderen Ausleseansatz vor. Die Forscher integrieren den NV-Diamanten als optisches Element in den Resonator eines Halbleiterlasers. Die NV-Zentren wirken dort als magnetfeldabhängiger Verlustkanal. Statt die Fluoreszenz des Diamanten auszuwerten, messen die Forscher das Lasersignal: Eine Magnetfeldänderung beeinflusst die Laserschwelle und kann den Laser ausschalten.

Lasersignal statt NV-Fluoreszenz

In ihrem Demonstrator erreichten die Forscher nach eigenen Angaben einen optischen Kontrast von 100 Prozent. Das Lasersignal kann sich zwischen den betrachteten Zuständen also vollständig ändern. Zugleich lieferte das System eine Laserleistung von bis zu 50 mW. Die starke Kopplung der NV-Zentren an das Lichtfeld in der Kavität verbindet damit einen hohen Kontrast mit einem vergleichsweise starken Auslesesignal.

Für alle drei Komponenten des Magnetfeldvektors geben die Forscher eine Empfindlichkeit von unter 400 fT/√Hz an. Dieser Wert gilt unter der Annahme, dass das Photonenschrotrauschen die dominierende Rauschquelle ist. Er beschreibt damit ein photonenschrotrauschbegrenztes Empfindlichkeitslimit und nicht zwingend die praktisch erreichte Empfindlichkeit des Demonstrators. Außerdem berichten die Forscher, dass sich dieses Limit bei Annäherung an einen optischen Kontrast von 100 Prozent überlinear verbessert.

Vergleich mit NV- und Gaszellen-Magnetometern

Entscheidend für den Vergleich mit anderen Sensoren ist laut Fraunhofer IAF das Verhältnis von Empfindlichkeit und Dynamikbereich. Gegenüber fluoreszenzbasierten NV-Sensoren und Gaszellen-Magnetometern erreiche das Lasersystem bei dieser Kennzahl eine Verbesserung um bis zu den Faktor 590. Die Vektorfähigkeit bleibe erhalten.

Die Ergebnisse weisen auf einen möglichen Weg hin, den Zielkonflikt zwischen Empfindlichkeit und Dynamikbereich zu entschärfen. Als mögliche Einsatzfelder nennen die Forscher die Messung von Herz-, Muskel- und Hirnaktivität, die Magnetnavigation sowie die Detektion magnetischer Anomalien, etwa bei der Rohstofferkundung. Für solche Anwendungen ist der Demonstrator jedoch noch kein Nachweis eines einsatzfertigen Sensors.

Video-Interview

Die Arbeit „Laser-enhanced quantum sensing boosts sensitivity and dynamic range“ ist laut Fraunhofer IAF in Nature Communications erschienen. Beteiligt waren neben dem Fraunhofer IAF Forschende von Twenty-One Semiconductors, dem College of Staten Island (CUNY), den National Institutes for Quantum Science and Technology in Japan sowie der RMIT University in Australien. Die Forschung entstand im Rahmen des vom BMFTR geförderten Projekts NeuroQ. (heh)

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