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Diamant-Quantensensor wird durch Magnetdraht 500-mal empfindlicher
Ein einzelner Quantenspin in Diamant kann statische Magnetfelder deutlich empfindlicher erfassen, wenn er mit einem weichmagnetischen Mikrodraht gekoppelt wird. In einem neuen Hybridaufbau erreichten Physiker 63 Nanotesla pro Wurzelhertz, was einer rund 500-fachen Verbesserung gegenüber der für dasselbe NV-Zentrum abgeschätzten Ramsey-Messung entspricht.
Göttingen (Deutschland). NV-Zentren sind Gitterdefekte in Diamant aus einem Stickstoffatom und einer benachbarten Leerstelle, deren Elektronenspin sich mit Mikrowellen steuern und optisch auslesen lässt. Bei statischen oder nur langsam veränderlichen Feldern stößt ein einzelnes NV-Zentrum jedoch schnell an eine Grenze, weil seine quantenmechanische Phase innerhalb kurzer Zeit auseinanderläuft.
Diese kurze Dephasierungszeit begrenzt herkömmliche Ramsey-Gleichfeldmessungen mit einem einzelnen Defekt. Wechselnde Magnetfelder lassen sich dagegen mit Echo-Verfahren empfindlicher messen, weil solche Pulsfolgen einen Teil der störenden Phasenverschiebungen wieder ausgleichen. Die neue Arbeit verbindet deshalb einen Diamantspin mit einem magnetischen Bauteil, das ein statisches Feld in ein für das Echo-Verfahren nutzbares Signal übersetzt.
Forscher des Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie (MPI-BPC) in Göttingen um Vinaya K. Kavatamane haben dafür einen weichmagnetischen Mikrodraht über einem Diamantchip mit oberflächennahen NV-Zentren angeordnet. Durch den Draht fließt ein hochfrequenter Strom, dessen elektrische Impedanz auf ein von außen angelegtes statisches Magnetfeld reagiert. Dadurch verändert sich auch das hochfrequente Magnetfeld in der unmittelbaren Umgebung des Drahts.
Dieses Nahfeld koppelt an das ausgewählte NV-Zentrum, sodass der Quantenspin nicht das schwache Gleichfeld direkt registriert, sondern die feldabhängige Veränderung des Drahtsignals. Zugleich dient der Draht als Mikrowellenantenne für die Spinsteuerung und erzeugt selbst ein kleines statisches Streufeld, weshalb im Versuchsaufbau weder eine getrennte Antenne noch ein zusätzliches äußeres Biasfeld nötig ist.
Für das ausgewählte NV-Zentrum bestimmten die Forscher eine Dephasierungszeit T2* von etwa 0,98 Mikrosekunden. Mit einem Hahn-Echo, einer einfachen Pulsfolge zur Unterdrückung langsamer Störungen, lag die gemittelte Kohärenzzeit bei rund 21,1 Mikrosekunden. Der Hybridaufbau nutzt diese längere Zeitspanne, um die vom Mikrodraht erzeugte Feldänderung auszulesen.
Bei einer Hochfrequenz von 100 Kilohertz erreichte der Sensor eine Gleichfeld-Sensitivität von 63 Nanotesla pro Wurzelhertz. Für eine gewöhnliche Ramsey-Messung am selben NV-Zentrum schätzte das Team rund 32 Mikrotesla pro Wurzelhertz ab, womit der Hybridansatz diesen Vergleichswert um ungefähr den Faktor 500 verbessert.
Kontrollmessungen stützen die Zuordnung zum Mikrodraht, denn ohne das hochfrequente Anregungssignal oder bei einer nicht synchronisierten Anregung verschwanden die beobachteten Echo-Oszillationen. Das spricht dafür, dass die Verstärkung tatsächlich über die magnetische Nahfeldkopplung zwischen Draht und NV-Zentrum entsteht.
Die Messung ist ein Machbarkeitsnachweis mit einem einzelnen ausgewählten NV-Zentrum, während der verwendete Mikrodraht nicht speziell für diesen Hybridaufbau optimiert war. Sein komplexes Magnetfeld erzeugt je nach Position unterschiedliche Aufspaltungen der NV-Resonanzen, weshalb die Forscher gezielt ein besonders geeignetes Zentrum auswählten. Diese Ortsabhängigkeit erschwert eine direkte Skalierung auf viele gleichartige Sensoren.
Auch die gemessene Rauschgrenze zeigt noch Spielraum. Im magnetisch empfindlichen Betrieb lag der mittlere Rauschboden bei etwa 49,8 Nanotesla pro Wurzelhertz, während reine Magnetoimpedanz-Sensoren laut der Studie unter günstigen Bedingungen wesentlich niedrigere Werte erreichen können. Verbesserungen am Draht, an der optischen Auslese und an den Pulsfolgen könnten die Empfindlichkeit des Hybridsensors deshalb weiter steigern.