Die optische Magnetometrie, basierend auf der optisch detektierter Magnetfeldresonanz (ODMR) in NV-Zentren in Diamant, ist eine kraftvolle Methode. Hervorzuheben ist sie aufgrund der möglichen hohen Bandbreite, der möglichen extremen Lokalisierung auf das Sensorvolumen eines einzelnen Atoms sowie aufgrund des potentiell kalibrierfreien Ansatzes. Für die Nutzung solcher NV-Defektzentren werden diese mit grünem Licht angeregt. Infolgedessen strahlen die Defekte eine rote Fluoreszenz mit charakteristischen Peaks aus.
Die Fluoreszenzintensität ist das Maß für die Magnetfeldstärke, wobei verschiedene Auswerteverfahren Anwendung finden können. Trotz dessen, dass es eine Reihe von Magnetfeldsensorkonzepten basierend auf NV-Zentren mit teils beachtlichen Sensitivitäten und geringen Baugrößen gibt, gibt es noch keinen echten Ansatz zur Industrialisierung solcher Magnetfeldsensoren. Hierzu würde beispielsweise die Entwicklung von spezifischen Sensoren oder optischen Elementen zählen, um durch hohe Spezifizität Performanceverbesserungen und Kostenvorteile zu erreichen.
Das Vorhaben KoSenDi setzte hier an und hatte zum Ziel, eine effiziente Referenzsignalbestimmung und die Optimierung der Lichtdetektion für die Fluoreszenzanregung und -auslese von NV-Zentren in ODMR-basierten Magnetometern zu erforschen. Denn die Sensitivität solcher Sensorsysteme hängt immer kritisch vom Signal-Rausch-Verhältnis der Lichtdetektion und der Laseranregungslichtstärke ab, welche überprüft werden sollten.
In diesem Zusammenhang wurden die Technologieschritte für zwei wesentliche Komponenten eines kompakten Magnetfeldsensorsystems basierend auf NV-Zentren in Diamant entwickelt und die hergestellten Bauelemente mit wissenschaftlichen Methoden bewertet: Einerseits wurde eine teiltransparente Fotodiode entwickelt, mit Hilfe derer die Lichtstärke für die Anregung der Fotolumineszenz direkt im Lichtstrahl ohne weitere optische Komponenten charakterisiert werden kann. Andererseits konnten für die Fluoreszenzlichtanalyse erfolgreich dünnschichtbasierte Filterschichten mit Standard-Siliziumfotodioden kombiniert werden, die eine effektive Unterdrückung des Anregungslichts bewirken, ohne die Effizienz der Detektion des Fluoreszenzlichts einzuschränken. So wurde eine besonders kompakte optische Baugruppe realisiert werden.
In verschiedenen Aufbauten wurde die Funktionalität am Beispiel von Magnetfeldmessungen demonstriert.
Die beschriebenen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wurden im Forschungsprojekt „Kompakte Sensoreinheit zur Messung von Magnetfeldern mittels Diamantfluoreszenz“ (KoSenDi) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) gefördert.
FKZ: 49MF220192
