In der Übersicht
Die berührungslose und empfindliche Messung kleinster Magnetfelder und Ströme eröffnet neue Möglichkeiten für die Fehleranalyse in der Mikroelektronik, die Exploration seltener Rohstoffe, die magnetische Charakterisierung von Materialien und die Biomedizin. Optische Quantensensoren auf Basis von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (Nitrogen-Vacancy, NV) in Diamant können schwache Magnetfelder sehr empfindlich und mit hoher örtlicher Auflösung erfassen – bei Raumtemperatur und ohne aufwendige Kühlung.
Das NV-Zentrum ist ein Punktdefekt im Diamantgitter, bestehend aus einem Stickstoffatom und einer benachbarten Gitterfehlstelle. Im negativ geladenen Zustand (NV⁻) ist sein Elektronenspin-Grundzustand ein Triplett mit den Unterzuständen ms = 0 und ms = ±1, die ohne äusseres Magnetfeld um die Nullfeldaufspaltung D ≈ 2.87 GHz getrennt sind.
Bei optischer Anregung mit grünem Laserlicht (532 nm) fluoresziert das NV-Zentrum im roten bis nahinfraroten Bereich (ca. 637–800 nm). Durch optisches Pumpen wird der Spin dabei bevorzugt in den Zustand ms = 0 polarisiert. Im Zustand ms = 0 ist die Fluoreszenz stärker als in den Zuständen ms = ±1. Dieser spinabhängige Fluoreszenzkontrast ermöglicht die optische Auslesung des Spinzustands.
Bei der optisch detektierten magnetischen Resonanz (ODMR) wird die Mikrowellenfrequenz durchgestimmt. Trifft sie einen Spinübergang, nimmt die Fluoreszenz messbar ab. Ein äusseres Magnetfeld spaltet die Resonanzen durch den Zeeman-Effekt mit etwa 28 MHz/mT auf, sodass sich aus den Resonanzfrequenzen das Magnetfeld quantitativ bestimmen lässt. Da die NV-Achsen in vier kristallographischen Orientierungen vorliegen, lässt sich aus den Resonanzen aller Orientierungen der vollständige Magnetfeldvektor rekonstruieren.
Für die Weitfeld-Bildgebung wird ein dichtes Ensemble von NV-Zentren in einer oberflächennahen Diamantschicht genutzt. Eine Lock-in-Kamera erfasst die Fluoreszenz pixelweise mit hoher Empfindlichkeit, sodass jedes Pixel ein eigenes ODMR-Spektrum liefert. So entsteht in einem Messdurchgang eine Karte des Magnetfelds über das gesamte Bildfeld, aus der sich die Stromverteilung in der Probe berechnen lässt. Neben der kontinuierlichen ODMR lassen sich gepulste Messverfahren einsetzen, um die Empfindlichkeit weiter zu steigern.
Wir haben ein 3D-Weitfeld-Magnetometer mit angepasster Signalverarbeitung einschliesslich Rauschunterdrückung entwickelt. Es erfasst die 3D Kompoenten des Magnetfelds über ein Bildfeld von 3 × 3 mm² (500 × 500 Pixel) mit einer Empfindlichkeit von ca. 0.1 µT/√Hz pro Pixel. Das System eigent sich für die Fehleranalyse integrierter Schaltungen und Leiterplatten, etwa zur Lokalisierung von Kurzschlüssen und Defekten durch berührungslose Strommessung, für die zerstörungsfreie Prüfung metallischer und magnetischer Komponenten sowie langfristig für die biomedizinische Messtechnik, etwa zur Erfassung schwacher Magnetfelder von Herz- und Muskelaktivität.
