Forschung & Entwicklung

Mit Diamant und Laser kleinste Magnetfelder im Gehirn messen

Mit der Entwicklung eines Laserschwellen-Magnetometer sollen kleinste Magnetfelder, wie sie unter anderem in neuronalen Netzen oder durch Gehirnströme entstehen, gemessen werden und so der medizinischen Diagnostik neue Türen öffnen.

Die Messung von Magnetfeldern gehört inzwischen zum Standard in der medizinischen Diagnostik. In unseren Nervenzellen des Gehirns oder Herzens fließen kleinste elektrische Ströme, die schwache Magnetfelder erzeugen. Präzise Magnetfeldsensoren können so die Aktivitäten von Gehirn (MEG) oder Herz (MKG) messen und ermöglichen bildgebende Verfahren wie die Magnetresonanztomographie (MRT), um Krankheiten zu detektieren. Die notwendige Präzision der Messungen erreichen jedoch nur wenige hochsensitive Magnetfeldsensoren, üblicherweise bei extremer Tieftemperaturkühlung. „Neue Sensortechnologien wie Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV-Zentren) oder Dampfzellen-Magnetometer können hier eine wichtige Alternative sein“, erklärt Dr. Jan Jeske, Leiter des Projekts ‚NV-dotierter CVD-Diamant für ultra-sensitive Laserschwellen-Magnetometrie‘, kurz ‚DiLaMag‘.

In dem Forschungsprojekt soll mithilfe von atomaren NV-Zentren in Diamant eine ultrasensitive Laserschwellen-Magnetometrie (LSM) realisiert werden. Hierfür arbeiten die Forscher am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF an der Entwicklung der weltweit ersten hoch NV-dotierten Diamant-Laserkristalle. Mit hochsensitiven Magnetfeldsensoren, die für eine biologische Anwendung geeignet sind, wäre es beispielsweise möglich, Hirn- und Herzaktivitäten von Ungeborenen zu bestimmen und damit Krankheiten frühzeitig zu behandeln. Das BMBF fördert das auf fünf Jahre angelegte Projekt im Rahmen des Nachwuchswettbewerbs ‚NanoMatFutur‘.

Die LSM ist ein weltweit neuer Forschungsansatz. Das Neue daran: Für die Entwicklung von hochpräzisen Laserschwellen-Magnetfeldsensoren soll NV-dotierter Diamant als Lasermedium eingesetzt werden. Die grundlegende Idee der LSM basiere darauf, ein Material als Lasermedium einzusetzen, das über eine optisch detektierbare magnetische Resonanz verfüge. Aufgrund seiner Materialeigenschaften sei Diamant mit einer hohen Dichte an NV-Zentren für den Einsatz als Lasermedium besonders geeignet, erläutert Jeske.

„Das Messprinzip basiert auf einer Konkurrenz zwischen stimulierter und spontaner Emission, die durch kleinste magnetische Felder beeinflusst werden kann“, erläutert Jeske. Dass das Konzept der LSM nicht nur theoretisch funktioniert, haben erste Versuche bereits bewiesen: Die Experimente haben eindeutig gezeigt, dass NV-Diamant stimulierte Emission zeigt und damit als Lasermaterial prinzipiell geeignet ist. Als nächstes sollen die optischen Eigenschaften des Diamanten verbessert und Messsysteme realisiert werden.

Eine Herausforderung dabei besteht darin, Diamant mit möglichst vielen NV-Zentren anzureichern, ohne die Qualität zu mindern. Anschließend plant das Projektteam, Diamantschichten mit der optimalen NV-Dichte in Plasma-CVD-Reaktoren des Fraunhofer IAF herzustellen und relevante physikalische und optische Parameter des Materials zu charakterisieren. Hierzu wird mit dem Aufbau eines NV-Diamant-Laserlabors die benötigte Infrastruktur am Fraunhofer IAF aufgebaut.

Die Forscher gehen davon aus, dass mit NV-dotiertem Diamant als Lasermedium stärkere Signale und ein höherer Kontrast erzielt werden kann, was zu wesentlich präziseren Messergebnissen führt. Ein entscheidender Vorteil ist, dass NV-Zentren in Diamant bei Raumtemperatur nutzbar sind und ihre Quanteneigenschaften beibehalten – im Gegensatz zu beispielsweise SQUID-Sensoren.

von mn

www.iaf.fraunhofer.de

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