Ein einzelner atomarer Defekt in Diamant kann Magnetfelder messen, doch seine winzige Größe begrenzt zugleich die Stärke des erfassbaren Signals. Ein Quantensensor Magnetfeld aus Göttinger Forschung kombiniert den Diamantdefekt deshalb mit einem mikroskopischen Ferromagneten. Der Draht konzentriert ein äußeres statisches Magnetfeld am Sensor und steigerte die Empfindlichkeit im Experiment um ungefähr den Faktor 500. Die räumliche Auflösung des einzelnen Quantenspins bleibt dabei grundsätzlich erhalten.
Magnetfeldsensoren sind überall dort wichtig, wo elektrische Ströme, magnetische Materialien oder biologische Prozesse ohne direkten Kontakt untersucht werden sollen. Gewöhnliche Hall-Sensoren eignen sich hervorragend für viele technische Anwendungen, stoßen aber bei sehr kleinen räumlichen Strukturen an Grenzen. Quantenbasierte Diamantsensoren nutzen dagegen Defekte im Kristallgitter. Besonders bekannt ist das Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum, bei dem zwei benachbarte Plätze im Diamantgitter nicht mit Kohlenstoff besetzt sind. Einer enthält ein Stickstoffatom, der zweite bleibt leer. Der elektronische Spin dieses Defekts reagiert empfindlich auf Magnetfelder und kann mit Licht ausgelesen werden. Weil ein einzelnes Zentrum nur wenige Nanometer groß ist, kann es als extrem kleine magnetische Sonde dienen. Der Nachteil: Ein einzelner Spin sammelt nur ein sehr schwaches Signal.
Forscher mit Verbindungen zum Max-Planck-Institut in Göttingen entwickelten deshalb einen hybriden Magnetometeraufbau. Neben dem Diamantsensor befindet sich ein ferromagnetischer Mikrodraht. Dieser Draht wird durch ein äußeres statisches Magnetfeld magnetisiert und erzeugt in seiner unmittelbaren Umgebung ein deutlich stärkeres lokales Feld. Der Quantendefekt misst damit nicht nur das ursprüngliche Feld, sondern dessen magnetisch verstärkte Wirkung. Die Studie in Physical Review Applied beschreibt eine Empfindlichkeitssteigerung um rund den Faktor 500 gegenüber dem Sensor ohne den ferromagnetischen Verstärker.
Das Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum besitzt quantisierte Spinzustände, deren Energie von der Stärke des lokalen Magnetfelds abhängt. Die Zustände können mit Mikrowellen angeregt und optisch über die Fluoreszenz des Diamanten ausgelesen werden. Verschiebt sich die Resonanzfrequenz, lässt sich daraus das Magnetfeld bestimmen. Diese Technik funktioniert bei Raumtemperatur und ist deshalb attraktiv für kompakte Messsysteme. Ein einzelner Defekt bietet zudem eine sehr hohe räumliche Auflösung, weil das Messvolumen extrem klein ist. Gerade diese geringe Größe reduziert aber die Zahl der verfügbaren Quantensysteme. Ensembles aus vielen Defekten erzeugen ein stärkeres Signal, verlieren dafür einen Teil der räumlichen Präzision. Die Göttinger Arbeit versucht diesen Zielkonflikt zu umgehen, indem nicht die Zahl der Quantenspins erhöht wird, sondern das Magnetfeld selbst lokal verstärkt wird.
Ferromagnetische Materialien reagieren stark auf äußere Magnetfelder. Wird ein geeigneter Mikrodraht magnetisiert, entstehen an seiner Geometrie lokale Feldverstärkungen. Die Forscher positionierten den Quantensensor so, dass er von diesem verstärkten Bereich profitiert. Dadurch wirkt eine kleine Änderung des äußeren Feldes am Diamant wesentlich stärker. Entscheidend ist, dass der Ferromagnet dabei nicht einfach nur ein konstantes Zusatzfeld erzeugt. Er muss Änderungen des zu messenden statischen Feldes möglichst reproduzierbar übertragen. Das Konzept ähnelt in gewisser Weise einer optischen Linse, die Licht konzentriert, nur dass hier ein magnetisches Material den relevanten Feldanteil am Sensor verstärkt. Die resultierende Messgröße bleibt quantenmechanisch, der Verstärker selbst ist jedoch ein klassisches magnetisches Bauteil.
Die Verbesserung bezieht sich auf die Feldempfindlichkeit des untersuchten Aufbaus. Sie bedeutet nicht automatisch, dass jedes künftige Magnetometer 500-mal kleiner, billiger oder schneller wird. Ferromagnetische Verstärker besitzen eigenes Rauschen, können hysteretisches Verhalten zeigen und müssen präzise zum Diamantsensor ausgerichtet werden. Außerdem können starke lokale Felder die Resonanzen des Quantenspins verschieben und damit den nutzbaren Messbereich verändern. Die Arbeit untersucht deshalb speziell statische beziehungsweise langsam veränderliche Felder. Für hochfrequente Magnetfelder gelten andere Bedingungen. Trotzdem ist der Faktor technisch interessant, weil Einzelspin-Sensoren bisher häufig zwischen räumlicher Auflösung und Messzeit abwägen müssen. Eine stärkere magnetische Kopplung kann die benötigte Messdauer reduzieren oder schwächere Quellen sichtbar machen.
Die Fähigkeit, extrem kleine Magnetfelder räumlich aufzulösen, ist unter anderem für die Entwicklung magnetischer Datenspeicher, Spintronik und neuartiger Quantenmaterialien relevant. Magnetische Strukturen können im Nanometerbereich komplexe Muster bilden, die sich mit makroskopischen Sensoren nur als gemitteltes Signal zeigen. Auf forschung-und-wissen.de wurde jüngst beschrieben, wie verborgene magnetische Ordnung in Kristallen über optische Signale untersucht werden könnte. Ein hochauflösender Diamantsensor verfolgt ein anderes Prinzip, könnte aber ebenfalls helfen, solche Magnetstrukturen lokal zu charakterisieren.
Diamantbasierte Quantensensoren benötigen üblicherweise Laserlicht, Mikrowellen und eine empfindliche optische Auslese. Der einzelne Defekt selbst ist winzig, der vollständige Laboraufbau dagegen häufig deutlich größer. Für praktische Geräte müssen deshalb Lichtquelle, Mikrowellenelektronik und Detektor kompakter integriert werden. Der ferromagnetische Verstärker könnte dabei vergleichsweise einfach sein, weil er keine aktive Stromversorgung benötigt. Seine Geometrie und Materialeigenschaften müssen jedoch sehr genau kontrolliert werden. Besonders interessant wäre eine Integration direkt auf einem Chip oder einer Spitze für Rastersondenmessungen. Dann könnte der Sensor über eine Probe geführt werden und lokale Magnetfelder Punkt für Punkt erfassen.
Die Veröffentlichung des Forschungsteams kombiniert damit zwei sehr unterschiedliche Welten. Der Diamantdefekt liefert eine quantenmechanisch präzise und räumlich kleine Sonde, während der ferromagnetische Mikrodraht das schwache äußere Signal bereits vor der Messung konzentriert. Statt anschließend elektronisch ein schlechtes Signal zu verstärken, wird das Magnetfeld selbst am Ort des Sensors größer gemacht. Welche Anwendungen davon zuerst profitieren, hängt von der Stabilität und Miniaturisierung des Aufbaus ab. Der Faktor 500 zeigt jedoch, dass klassische magnetische Materialien die Leistungsfähigkeit eines einzelnen Quantenspins erheblich erhöhen können, ohne den Sensor durch ein großes Ensemble ersetzen zu müssen.
Physical Review Applied, Single-spin nitrogen-vacancy hybrid magnetometer with enhanced static field sensitivity; doi:10.1103/z5x1-9rng