Diamant im Laser: Fraunhofer-Quantensensor erreicht erstmals 100 Prozent Kontrast

Forschende des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg haben einen Magnetfeldsensor vorgestellt, der hohe Empfindlichkeit mit großem Messbereich verbindet. Grundlage sind Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (NV-Zentren) in Diamant, die bei Raumtemperatur arbeiten. Die Studie erschien in Nature Communications, das Institut berichtete am 22. Oktober darüber. Im Video spricht Erstautor Florian Schall über die Methode und die Ergebnisse.

Bei der sogenannten Laserschwellen-Magnetometrie sitzt der Diamant direkt im Resonator eines Halbleiterlasers. Ändert sich das Magnetfeld, kann das den Laser ganz abschalten – so erreicht das System erstmals 100 Prozent optischen Kontrast statt der sonst üblichen wenigen Prozent. Das Laser-Auslesesignal hat bis zu 50 Milliwatt. Dominiert das Photonen-Schrotrauschen, ergibt sich rechnerisch eine Empfindlichkeit unter 400 Femtotesla pro Wurzel Hertz für jede der drei Feldkomponenten; das Verhältnis von Empfindlichkeit zu Messbereich verbessert sich laut IAF um bis zu das 590-Fache.

„Unser Ansatz könnte einen Zielkonflikt lösen, der die Entwicklung und Anwendung von Magnetfeldsensoren lange begrenzt hat“, sagt Schall. Mögliche Anwendungen sind Signale von Herz, Muskeln und Gehirn, Navigation per Magnetfeld und die Rohstoffsuche. Die Arbeit gehört zum vom Bundesforschungsministerium geförderten Leuchtturmprojekt NeuroQ, das Sensoren für die Steuerung von Exoskeletten entwickelt.