DE102019119212A1

DE102019119212A1 - Vorrichtungen und Verfahren zur magnetfeldabhängigen optischen Detektion

Info

Publication number: DE102019119212A1
Application number: DE102019119212.9A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Vogl; Nils Trautmann; Petr Siyushev; Bernhard Schwarz; Lorenz Lechner
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2019-07-16
Filing date: 2019-07-16
Publication date: 2021-01-21
Also published as: WO2021009203A1

Abstract

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, Vorrichtungen und Verfahren zur magnetfeldabhängigen optischen Detektion zu verbessern und deren Handhabung zu erleichtern.Hierfür weist ein Objektiv für ein Mikroskop in einem Strahlengang des Objektivs ein Festkörperelement mit wenigstens einem NV-Zentrum auf. Auch weist hierfür ein Mikroskop für konfokale Mikroskopie ein Festkörperelement mit einer Vielzahl von NV-Zentren auf, wobei die NV-Zentren in einem Verfahren zur dreidimensionalen Bestimmung eines Magnetfelds abgerastert werden.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Bestimmung von Magnetfeldern sowie der magnetfeldabhängigen Optik und betrifft insbesondere ein Objektiv für ein Mikroskop, eine Vorrichtung mit einer Mikrowellenantennenanordnung, ein Mikroskop, eine Verwendung eines Mikroskops und ein Verfahren zur dreidimensionalen Bestimmung eines Magnetfelds.
Mittels NV-Zentren - also etwa mittels Farbzentren, welche abhängig von einem beim jeweiligen Farbzentrum wirksamen Magnetfeld optisch anregbar sind und Emissionslicht emittieren - lassen sich Magnetfelder optisch bestimmen. Hierzu kann etwa ein Mikroskop umgerüstet werden, um solche Farbzentren optisch anzuregen und das von den Farbzentren emittierte Emissionslicht bildgebend zu detektieren. Außerdem können weitere Umrüstungen an dem Mikroskop oder Erweiterungen für einen Messaufbaus mit einem Mikroskop erforderlich sein, um die Farbzentren auf bestimmte Weise - etwa mittels Mikrowellenstrahlung - so zu beeinflussen, dass diese magnetfeldabhängig optisch angeregt werden können oder entsprechend Emissionslicht magnetfeldabhängig emittieren.
Umgekehrt lässt sich eine Fluoreszenz oder Phosphoreszenz (oder allgemeiner Lumineszenz, fortan zusammenfassend kurz als „Fluoreszenz“ bezeichnet) von NV-Zentren - etwa bei Anwendungen wie der medizinischen Bildgebung oder Biosensorik, in welchen NV-Zentren als Fluoreszenzstoff eingesetzt werden können, oder bei der Quantenkryptographie oder für Quantencomputer-Systeme - abhängig vom dort wirksamen Magnetfeld und etwaigen weiteren Einflussgrößen steuern. So könnte etwa ein solches NV-Zentrum als Emitter in einer festkörperbasierten Einzelphotonenquelle bei Raumtemperatur dienen.
Neben Anwendungen im akademischen Umfeld sind solche NV-Zentren und Messaufbauten dafür etwa aufgrund der steuerbaren Fluoreszenz, einer hohen erzielbaren Empfindlichkeit und/oder eines großen erzielbaren Bereichs auch interessant für verschiedene kommerzielle Felder wie etwa zur Untersuchung von elektrischen Schaltkreisen oder für einen optisch integrierten Biosensor basierend auf einer optisch detektierten (Mikrowellen-) Resonanz eines NV-Zentrums. So wird etwa ein solcher optisch integrierter Biosensor in der Patentschrift US 8,193,808 B2 beschrieben.
Es besteht Bedarf, Vorrichtungen und Verfahren zur magnetfeldabhängigen optischen Detektion zu verbessern und/oder ein Aufbauen oder Umrüsten von entsprechenden Vorrichtungen - wie etwa einem Mikroskop - zu erleichtern sowie insbesondere derartige Messaufbauten und Verfahren verlässlicher und effizienter zu machen.
Die Erfindung erfüllt diesen Bedarf jeweils durch ein Objektiv für ein Mikroskop, durch eine Vorrichtung mit einer Mikrowellenantennenanordnung, durch ein Mikroskop, durch die Verwendung eines Mikroskops sowie durch ein Verfahren zur dreidimensionalen Bestimmung eines Magnetfelds jeweils gemäß der Lehre einer der Hauptansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen, Weiterbildungen und Varianten der vorliegenden Erfindung sind insbesondere Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Objektiv für ein Mikroskop, wobei das Objektiv ein in einem Strahlengang des Objektivs anordenbares Festkörperelement mit wenigstens einem NV-Zentrum aufweist.
Im Sinne der Erfindung ist unter einem „NV-Zentrum“ zumindest ein Farbzentrum zu verstehen, wobei das Farbzentrum abhängig von einem dort wirksamen Magnetfeld mittels eines Anregungslichts optisch anregbar ist und Emissionslicht vom angeregten Farbzentrum emittierbar ist. Ein solches Farbzentrum kann ein Defekt in einer Matrixstruktur, insbesondere in einem (etwaig kristallinen) Festkörper sein. Auch kann eine Intensität des Emissionslichts abhängig von einer resonanten Mikrowellenabsorption sein, wobei die resonante Mikrowellenabsorption von dem Magnetfeld beim Farbzentrum abhängig ist. Auch kann ein solches NV-Zentrum ein Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum in einem Diamantgitter, etwa ein sogenanntes [NV]^--Zentrum sein, welches Gegenstand aktueller Forschung ist. Bei einem solchen [NV]^--Zentrum wird derzeit in einem Modell von einem Mehrelektronensystem ausgegangen, welches als ein 3-Niveau-System mit einem Triplett-Grundzustand und einem angeregten Triplett-Zustand sowie wenigstens einem energetisch zwischen dem Grundzustand und dem angeregten Zustand liegenden Zwischenzustand - insbesondere einem Singulett-Zustand - (oder etwa zwei Zwischenzustände gemäß Doherty, Marcus W.; Manson, Neil B.; Delaney, Paul; Jelezko, Fedor; Wrachtrup, Jörg; Hollenberg, Lloyd C. L. (2013-07-01). „The nitrogen-vacancy colour centre in diamond“. Physics Reports. The nitrogen-vacancy colour centre in diamond. 528 (1): 1-45) beschrieben wird. Auch lässt sich bei einem solchen [NV]^--Zentrum eine Elektronenspinresonanz anregen zwischen mehreren energetisch unterschiedlichen Zuständen im Triplett-Grundzustand, welche sich aufgrund einer Spin-Wechselwirkung sowie eines etwaig beim NV-Zentrum wirkenden Magnetfelds energetisch unterscheiden. Zum Anregen der Elektronenspinresonanz lässt sich Mikrowellenstrahlung geeigneter Frequenz verwenden, sodass mittels einer Energie aus der Mikrowellenstrahlung das Elektronensystem von einem energetisch niedrigeren Zustand des Triplett-Grundzustands in einen energetisch höheren Zustand des Triplett-Grundzustands angehoben wird. Weiter kann ein solches NV-Zentrum ein Farbzentrum in einer Diamantmatrix sein, wie etwa ein ST1- oder „Stuttgart 1“-Farbzentrum. Auch kann die Matrixstruktur aus 4H-SiC hergestellt sein und etwa eine Festkörpermatrix, insbesondere ein Kristallgitter, aus 4H-SiC sein. Dabei kann eine solche Matrixstruktur aus 4H-SiC als NV-Zentrum ein Farbzentrum wie etwa eine sogenannte „VcVsi DiVacancy“ oder eine sogenannte „NV Nitrogene Vacancy“ oder eine sogenannte „hexagonal lattice site silicon vacancy (VSi)“ (siehe etwa NATURE COMMUNICATIONS | (2019) 10:1954 | https://doi.org/10.1038/s41467-019-09873 | High-fidelity spin and optical control of single silicon-vacancy centres in silicon carbide), insbesondere im Kristallgitter, aufweisen.
Ein Vorteil des Anordnens des Festkörperelements mit wenigstens einem NV-Zentrum kann insbesondere darin liegen, dass eine magnetfeldabhängige Emission des NV-Zentrums über das Objektiv mit einem Mikroskop detektiert werden kann. Dabei lässt sich ein handelsübliches Mikroskop mit einem solchen Objektiv - welches etwa für das jeweilige Mikroskop entsprechende Gewinde o.ä. zur Befestigung aufweist - ausrüsten, ohne dass zusätzlich ein Festkörperelement mit NV-Zentren erforderlich ist. Auch kann das Festkörperelement mit dem Objektiv starr oder beweglich derart verbunden sein, dass in einer Verbindungsposition zur Erfassung des wenigstens einen NV-Zentrums das NV-Zentrum im Strahlengang des Objektivs, insbesondere in einem Bildbereich relativ zum übrigen Objektiv fest angeordnet ist, womit sich das NV-Zentrum einer bestimmten Position im Bildbereich zuordnen lässt. Auch kann mit einem hierfür eingerichteten Mikroskop ein abzubildendes Objekt relativ zum Objektiv verschoben werden, sodass verschiedene Bereiche des Objekts im Bildbereich abgebildet werden, wobei sich entsprechend auch die Position des NV-Zentrums relativ zum Objekt bewegt und somit das NV-Zentrum an verschiedenen, anhand des jeweils abgebildeten Bereichs zuordenbaren Positionen beim Objekt angeordnet werden kann.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer Mikrowellenantennenanordnung. Dabei weist die Vorrichtung ein Diamantplättchen mit wenigstens einem NV-Zentrum auf. Alternativ ist die Vorrichtung ein Objektiv für ein Mikroskop, insbesondere gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Weiter alternativ ist die Vorrichtung ein Objektträger für ein Mikroskop.
Die möglichen Vorteile, Ausführungsformen oder Varianten des ersten Aspekts der Erfindung gelten entsprechend auch für die Vorrichtung mit einer Mikrowellenantennenanordnung. Die Vorrichtung mit Diamantplättchen, das Objektiv sowie Objektträger lassen sich zur magnetfeldabhängigen optischen Detektion einsetzen, wobei - in einigen Ausführungsformen - mittels der Mikrowellenantennenanordnung energetische Zustände des wenigstens einen NV-Zentrums im Grundzustand oder im (optisch) angeregten Zustand, welche sich aufgrund des dort wirksamen Magnetfelds energetisch unterscheiden, angeregt werden können. Ein Vorteil des Aufweisens der Mikrowellenantennenanordnung kann insbesondere darin liegen, dass die Anzahl der verschiedenen Teile zum Umrüsten eines (handelsüblichen) Mikroskops für eine magnetfeldabhängige optische Detektion reduziert und somit die Handhabung vereinfacht wird. Dabei können bei einigen Varianten von einem solchen Objektiv sowohl mit Festkörperelementen mit NV-Zentrum als auch mit Mikrowellenantennenanordnung beide synergistisch zusammenwirken und die Handhabung weiter vereinfachen. Auch lassen sich das wenigstens eine NV-Zentrum und die Mikrowellenantennenanordnung - also etwa Frequenzen und räumliche Feldverläufe von mittels der Mikrowellenantennenanordnung erzielbarer elektrische Felder - aneinander anpassen, wodurch eine weitere Vereinfachung der Handhabung und/oder eine erhöhte Verlässlichkeit und/oder Effizienz ermöglicht werden.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Mikroskop, welches für 2-Pi oder 4-Pi Mikroskopie eingerichtet ist und in einem Fokalpunkt ein Festkörperelement mit wenigstens einem NV-Zentrum aufweist.
Die möglichen Vorteile, Ausführungsformen oder Varianten der vorhergehenden Aspekte der Erfindung gelten entsprechend auch für das Mikroskop für 2-Pi oder 4-Pi Mikroskopie mit dem wenigstens einen NV-Zentrum. Wenn das wenigstens eine NV-Zentrum im Fokalpunkt angeordnet ist, lässt sich vorteilhaft die Empfindlichkeit - also insbesondere die Lichtausbeute bezüglich des Emissionslichts des NV-Zentrums - und somit die Effizienz erhöhen. Auch lässt sich bei mehreren NV-Zentren im Festkörperelement die räumliche Auflösung verbessern. Dabei weist das Mikroskop in einigen Varianten als das Festkörperelement ein Diamantplättchen mit einem oder mit mehreren NV-Zentren auf.
Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft eine Verwendung eines Mikroskops zur bildgebenden Bestimmung eines Magnetfelds basierend auf einer optischen Detektion einer Elektronenspinresonanz bei wenigstens einem NV-Zentrum. Dabei ist das Mikroskop gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung ausgebildet oder dabei weist das Mikroskop ein Objektiv gemäß dem ersten oder eine Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung auf.
Die möglichen Vorteile, Ausführungsformen oder Varianten der vorhergehenden Aspekte der Erfindung gelten entsprechend auch für die Verwendung des Mikroskops. Ein Vorteil der Bestimmung eines Magnetfelds mittels NV-Zentren bzw. des wenigstens einen NV-Zentrums und dem Mikroskop kann insbesondere darin liegen, dass eine bildgebende Bestimmung mit einer - entsprechend eine solchen Mikroskops - hohen optischen Auflösung - etwa gegenüber Verfahren zur Bestimmung von Magnetfelder mittels Spulen - sowie bei mehreren NV-Zentren eine gleichzeitige Erfassung des Magnetfelds an mehreren Positionen (entsprechend der Anzahl sowie Position der jeweiligen NV-Zentren, insbesondere also eine gleichzeitige Bildgebung für diese mehrere Positionen) und/oder eine hohen Sensitivität und/oder ein großer dynamischer Bereich ermöglicht werden kann.
Ein fünfter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur dreidimensionalen Bestimmung eines Magnetfelds. Das Verfahren weist ein Anordnen eines Festkörperelements mit einer Vielzahl an NV-Zentren in dem zu bestimmenden Magnetfeld auf. Das Verfahren weist weiterhin ein dreidimensionales Abrastern des Festkörperelements mittels eines Konfokalmikroskops auf, wobei beim Abrastern jeweils ein NV-Zentrum oder mehrere NV-Zentren der Vielzahl an NV-Zentren bei einem jeweiligen Fokalpunkt angeregt wird/werden, Mikrowellenstrahlung für eine Elektronenspinresonanz bei den jeweiligen NV-Zentren ausgestrahlt wird und von beim jeweiligen Fokalpunkt durch die NV-Zentren in Abhängigkeit von der Elektronenspinresonanz emittiertes Licht erfasst wird. Schließlich weist das Verfahren ein Erfassen von beim jeweiligen Fokalpunkt durch die NV-Zentren emittiertem Licht in Abhängigkeit von der Elektronenspinresonanz auf.
Die möglichen Vorteile, Ausführungsformen oder Varianten der vorhergehenden Aspekte der Erfindung gelten entsprechend auch für das Verfahren zur dreidimensionalen Bestimmung eines Magnetfelds.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen und/oder aus den Figuren.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren anhand vorteilhafter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Gleiche Elemente oder Bauteile der Ausführungsbeispiele werden im Wesentlichen durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet, falls dies nicht anders beschrieben wird oder sich nicht anders aus dem Kontext ergibt.
Hierzu zeigen, teilweise schematisiert:

1 ein Modell eines [NV]^--Zentrums;
2 ein Energiediagramm für ein NV-Zentrum;
3 ein Objektiv aufweisend ein bewegbares Festkörperelement mit einem NV-Zentrum nach einer Ausführungsform;
4 ein weiteres Objektiv nach einer Ausführungsform;
5 eine Vorrichtung mit einem Diamantplättchen und einer Mikrowellenantennenanordnung sowie mehreren NV-Zentren im Diamantplättchen nach einer Ausführungsform;
6 ein Mikroskop für 2-Pi-Mikroskopie nach einer Ausführungsform;
7 ein weiteres Objektiv nach einer Ausführungsform;
8 eine Verwendung eines Mikroskops zur bildgebenden Bestimmung eines Magnetfelds nach einer Ausführungsform;
9 einen Messaufbau zur dreidimensionalen Bestimmung eines Magnetfelds mittels eines konfokalen Mikroskops und einer Vielzahl an NV-Zentren nach einer Ausführungsform; und
10 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur dreidimensionalen Bestimmung eines Magnetfelds nach einer Ausführungsform.

Die Figuren sind schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsformen und/oder Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. In den Figuren dargestellte Elemente und/oder Bauteile sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen, in den Figuren dargestellten Elemente und/oder Bauteile derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und/oder ihr Zweck dem Fachmann verständlich werden.
In den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen den funktionellen Einheiten und Elementen können auch als indirekte Verbindungen oder Kopplungen implementiert werden. Insbesondere können Datenverbindungen drahtgebunden oder drahtlos, also insbesondere als Funkverbindungen, ausgebildet sein. Auch können bestimmte Verbindungen, etwa elektrische Verbindungen, etwa zur Energieversorgung, der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sein. Weiterhin können optische Verbindungen - etwa zwischen optischen Elementen -, welche insbesondere als gerader Lichtstrahl dargestellt werden können, auch in einigen Varianten mittels einem Lichtleiter und/oder durch optische Elemente, wie Spiegel, zum Umlenken von Lichtstrahlen implementiert werden, wobei solche Verbindungen der Übersichtlichkeit halber nicht notwendigerweise dargestellt sind.
1 veranschaulicht eine Atomstruktur eines NV-Zentrums wie etwa ein Stickstoff-Fehlstellen Zentrums schematisch mit einem Kugel-Stab-Modell eines [NV]^--Zentrums (140) ohne umliegenden Diamantgitter. Dabei sind drei Kohlenstoffatome 146 an drei Plätzen des Diamantgitters angeordnet, während bei einem zu diesen drei Kohlenstoffatomen 146 (unmittelbar/Nächster-Nachbar) benachbarten Gitterplatz eine Fehlstelle 144 (Vakanz: V) besteht - dieser Gitterplatz also nicht besetzt ist - sowie bei einem dazu (unmittelbar/Nächster-Nachbar) benachbarten Gitterplatz anstelle eines Kohlenstoffatoms ein Stickstoffatom 142 (Stickstoff: N) angeordnet ist. Zudem sind in 1 ein Vektor für ein externes Magnetfeld 80 sowie eine Achse des NV-Zentrums 148 - bezüglich derer ein Spin eines Mehrelektronensystems des NV-Zentrums definiert wird - dargestellt. Dabei versteht es sich, dass neben dem externen Magnetfeld 80 auch ein Magnetfeld aufgrund der magnetischen Momente der Atomkerne auf Elektronen des Mehrelektronensystems wirksam ist bzw. diese magnetischen Felder sich überlagern, wobei - sofern nicht gesondert auf diese zusätzliche magnetischen Momente verwiesen wird - im Sinne der Erfindung unter dem „dort wirksamen Magnetfeld“ jenes Magnetfeld zu verstehen ist, welches dort, also beim jeweiligen NV-Zentrums aufgrund des externen Magnetfelds auftritt.
In 2 ist ein Energiediagramm 40 für ein NV-Zentrum wie etwa einem [NV]^--Zentrum nach einer derzeitigen Modellierung (vgl. etwa Rogers, L. J.; Armstrong, S.; Sellars, M. J.; Manson, N. B. (2008). „Infrared emission of the NV centre in diamond: Zeeman and uniaxial stress studies". New Journal of Physics. 10 (10): 103024.) (vgl. etwa Doherty, Marcus W.; Manson, Neil B.; Delaney, Paul; Jelezko, Fedor; Wrachtrup, Jörg; Hollenberg, Lloyd C. L. (2013-07-01). „The nitrogen-vacancy colour centre in diamond". Physics Reports. The nitrogen-vacancy colour centre in diamond. 528 (1): 1-45.) dargestellt. Das Mehrelektronensystem des NV-Zentrums weist einen Triplett-Grundzustand |g>, einen angeregten Triplett-Zustand |e> sowie zwei Zwischenzustände |ze> und |zg>, die energetisch zwischen dem Grundzustand |g> und dem angeregten Zustand |e> liegen, auf. Zwei der Elektronen des Mehrelektronensystems können im Triplett-Grundzustand bezüglich ihres Spins parallel oder antiparallel ausgerichtet sein, sodass das Mehrelektronensystem einen Spin +1 (m_s=+1) oder -1 (m_s=-1) bzw. einen Spin 0 (m_s=0) aufweist. Aufgrund ihrer Spin-Wechselwirkung haben die Elektronen bei Spin +1 und -1 höheres Energieniveau als bei antiparalleler Ausrichtung mit Spin 0. Zudem - in 2 nicht dargestellt - können sich die Energieniveaus für m_s=+1 und m_s=-1 voneinander etwa aufgrund einer Wechselwirkung mit den magnetischen Momenten der Atomkerne unterscheiden (vgl. Hyperfeinstruktur), wobei diese Aufspaltung, also ein Unterschied zwischen den Energieniveaus für m_s=+1 und m_s=-1 üblicherweise wesentlich kleiner ist als ein Energieunterschied zwischen die Energieniveaus für m_s=+1 / m_s=-1 gegenüber dem Energieniveau für m_s=0.
Ausgehend von 2 lässt sich eine optische Detektion eines Magnetfelds - oder allgemeiner eine magnetfeldabhängige optische Detektion - basierend auf einem NV-Zentrum entsprechend 1 und/oder bzgl. Energieniveaus entsprechend 2 wie folgt veranschaulichen. Mittels Anregungslicht 46 mit ausreichender Energie je Photon, also etwa einem grünen Laser mit einer Wellenlänge kleiner als etwa 532 nm - wie etwa wie dargestellt mit einer Wellenlänge von 515 nm - lässt sich das [NV]^--Zentrum vom Grundzustand |g> (zunächst etwaig in vibronische Bänder und dann von dort aus) in den angeregten Zustand |e> optisch anregen, wobei der Spin des Mehrelektronensystems erhalten bleibt, also etwa bei Anregung des Grundzustands |g> mit m_s=+1 entsprechend als angeregter Zustand |e> mit m_s=+1 erreicht wird. Daraufhin kann das NV-Zentrum unter Emission eines Photons, also Emissionslicht 56 und somit Fluoreszenz, wieder zum entsprechenden Zustand des Triplett-Grundzustands - also etwa vom angeregten Zustand |e> mit m_s=+1 zum Grundzustand |g> mit m_s=+1 - gelangen; so kann etwa bei einem [NV]^--Zentrum ein Photon mit 637 nm, also etwa rotes Emissionslicht emittiert werden. Dieser Übergang wird auch strahlender Übergang oder optischer Übergang genannt, wobei üblicherweise das hierbei emittierte (Emission-/Fluoreszenz-) Licht optisch detektiert wird.
Neben diesem strahlenden Übergang ist auch ein weiterer Übergang über die Zwischenzustände |ze> und |zg> möglich, wobei etwa beim Übergang von |zg> zu |ze> ein Photon mit einer größeren Wellenlänge, also etwa bei einem [NV]^--Zentrum ein Photon mit 1042 nm emittiert wird. Bei anderen Modellen wird von nur einem Zwischenzustand ausgegangen, sodass kein entsprechendes Photon emittiert wird. Bei diesen Übergängen findet also keine Emission von Photonen oder zumindest eine Emission 58 von Photonen mit einer anderen, insbesondere mit einer größeren Wellenlänge statt, und diese Übergänge werden auch nicht-strahlende Übergänge genannt. Bei diesen nicht-Strahlenübergängen bleibt der Spin des Mehrelektronensystems nicht notwendigerweise erhalten, wobei die Rate bzw. die Wahrscheinlichkeit für einen Übergang von einem angeregten Zustand mit m_s=+1 oder m_s=-1 des angeregten Triplett-Zustands |e> zum Zustand mit m_s=0 des Triplett-Grundzustands größer ist als die Rate bzw. die Wahrscheinlichkeit für einen Übergang vom angeregten Zustand |e> mit m_s=0 zu einem der Grundzustände mit m_s=+1, 0 oder -1. Der weitere Übergang über die Zwischenzustände |ze> und |zg> konkurriert mit dem strahlenden Übergang. Somit emittiert ein NV-Zentrum, wenn es einen Spin m_s=0 aufweist, mehr Emissionslicht als bei einem Spin m_s=+1 oder m_s=-1, da bei m_s=+1 oder m_s=-1 ein Übergang über die Zwischenzustände (verhältnismäßig) häufiger stattfindet. Außerdem lässt sich bei einem NV-Zentrum durch wiederholtes Anregen die Besetzungswahrscheinlichkeit für den Grundzustand und/oder für den angeregten Zustand mit m_s=0 erhöhen, da über den weiteren Übergang wahrscheinlicher der Grundzustand |g> mit m_s=0 (und dann nach etwaig erneuter Anregung der angeregte Zustand |e> mit m_s=0) erreicht wird - dies wird auch Spinpolarisation genannt.
Durch bestimmte Maßnahmen - wie etwa Strahlung mit einer bestimmten Energie (insbesondere je Strahlungsquantum), welche einem Energieunterschied zwischen |g> mit m_s=0 und Ig> mit m_s=±1 entspricht bzw. einem Energieunterschied zwischen |e> mit m_s=0 und |e> mit m_s=±1 entspricht - lässt sich die Besetzungswahrscheinlichkeit für den Grundzustand und/oder den angeregten Zustand mit m_s=+1 oder -1 bei einem NV-Zentrum erhöhen. Bei einem [NV]^--Zentrum (ohne externes Magnetfeld) kann mittels Mikrowellenstrahlung 48 mit einer Frequenz von etwa 2870 MHz ein Übergang vom Grundzustand |g> mit m_s=0 zu einem der Grundzustände mit m_s=±1 resonant angeregt werden, also eine Elektronenspinresonanz erzielt werden - d.h. im Sinne der Erfindung insbesondere eine resonante Absorption der (Mikrowellen-) Strahlung durch das NV-Zentrum unter Übergang von Ig> mit m_s=0 zu |g> mit m_s=+1 oder -1. Im weiteren Sinne kann unter einer Elektronenspinresonanz auch ein solches Anregen unter Variation des (externen) Magnetfelds und ein Messen der magnetfeldabhängigen Absorption der Mikrowellenstrahlung verstanden werden (vgl. etwa https://de.wikipedia.org/wiki/Elektronenspinresonanz). Durch Anlegen eines externen Magnetfelds verschieben sich die Energieniveaus des Grundzustands mit m_s=+1 und des Grundzustands mit m_s=-1 (entsprechendes gilt für die Zustände des angeregten Triplettzustands |e> mit m_s=±1). Somit wird für den Übergang von Ig> mit m_s=0 zu |g> mit m_s=-1 eine andere Frequenz der Mikrowellenstrahlung benötigt als für den Übergang von Ig> mit m_s=0 zu |g> mit ms=+1.
Bei Bestrahlung eines [NV]^--Zentrums (zunächst ohne externes Magnetfeld) mit Mikrowellenstrahlung mit einer Frequenz von etwa 2870 MHz wird also die Wahrscheinlichkeit für die Zustände mit m_s=±1 erhöht, wodurch die Fluoreszenz, also das emittierte Emissionslicht abnimmt. Durch ein externes Magnetfeld, welches am NV-Zentrum wirkt, wird die für die Elektronenspinresonanz erforderliche Frequenz verschoben, wodurch die Wahrscheinlichkeit für die Zustände mit m_s=±1 weniger oder nicht mehr erhöht wird und somit die Fluoreszenz nicht abnimmt bzw. wieder zunimmt.
Die Änderung der Fluoreszenz ist beim NV-Zentrum also abhängig von der bestimmten Maßnahme zur Erhöhung der Besetzungswahrscheinlichkeit für Zustände mit m_s=±1 - also etwa der Frequenz der eingestrahlten Mikrowellenstrahlung - sowie von dem beim NV-Zentrum wirksamen (externen) Magnetfeld. Somit lässt sich basierend auf einer Änderung der Fluoreszenz bzw. des emittierten Emissionslichts ein beim NV-Zentrum wirksames (externes) Magnetfeld bestimmen. Für die Bestimmung des Magnetfelds sind auch weitere Varianten basierend auf dem NV-Zentrum möglich wie etwa eine Variation der Frequenz der Mikrowellenstrahlung, sodass die Fluoreszenz gleich bleibt, wobei das externe Magnetfeld basierend auf der jeweiligen Variation bestimmt wird. Ferner kann abhängig vom jeweils gewählten Verfahren eine Kalibrierung erforderlich sein, um eine Orientierung der Achse 148 des NV-Zentrums und/oder eines aufgrund der magnetischen Momente des NV-Zentrums (etwa von den Atomkernen des NV-Zentrums) wirkenden Magnetfelds, welches sich mit dem externen Magnetfeld überlagert, auszugleichen.
Umgekehrt lässt sich die Fluoreszenz mittels Anlegen eines Magnetfeldes und/oder mittels weiterer Einflussgrößen, welche die Besetzungswahrscheinlichkeit für Zustände mit m_s=±1 verändern - wie etwa Mikrowellenstrahlung geeigneter Frequenz -, steuern, wodurch vorteilhaft Verwendungen von Materialien wie Partikeln mit NV-Zentren als (extern) steuerbare Fluoreszenzstoffe zusammen mit entsprechenden Verfahren und Vorrichtungen - wie etwa entsprechend ausgerüsteten Mikroskopen - ermöglicht werden.
3 zeigt ein Objektiv 100 für ein Mikroskop, wobei das Objektiv ein NV-Zentrum 140 aufweist, nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In einem Ausführungsbeispiel weist das Objektiv 100 eine Verbindungseinrichtung 102, die zur Verbindung mit dem Mikroskop eingerichtet ist, ein Gehäuse 110 und eine Trägerplatte 120 auf, welche mittels einer Bewegungseinrichtung 112 des Objektivs 100 mit dem Gehäuse 110 bewegbar verbunden ist. In einigen Varianten weist die Bewegungseinrichtung 112 ein Gleitlager auf oder besteht daraus. In einigen Varianten weist die Verbindungseinrichtung 102 ein Gewinde auf oder besteht daraus und ist auf einer dem Mikroskop zugewandten Seite des Gehäuses 110 ausgebildet. Durch Verbinden des Objektivs 100 mit dem Mikroskop mittels der Verbindungseinrichtung 102 lassen sich ein Strahlengang des Objektivs und ein Strahlengang des Mikroskops derart ausrichten, dass ein gemeinsamer Strahlengang ausgebildet wird. In einigen Varianten weist das Gehäuse 110 weitere optische Elemente 116 wie etwa Linsen auf, welche im Strahlengang des Objektivs 100 angeordnet sind.
Die Trägerplatte 120 weist eine erste Linse 122, ein Festkörperelement 124 und eine zweite Linse 126 auf. Das Festkörperelement 124 weist wenigstens ein NV-Zentrum 140 auf und ist integral und optisch durchlässig mit der ersten Linse 122 - etwa mittels eines optischen Klebstoff 123 - verbunden. Entsprechend können auch in einigen Varianten die erste Linse 122 und die zweite Linse 126 mit der Trägerplatte 120, welche etwa mit einem optisch durchsichtigen Material hergestellt ist, insbesondere aus Glas besteht, integral und optisch durchlässig verbunden sein. Die Trägerplatte 120 und die Bewegungseinrichtung 112 sind eingerichtet, mittels einer Bewegung die Trägerplatte 120 relativ zum Gehäuse 110 derart in eine erste Verbindungsposition zur Erfassung des wenigstens einen NV-Zentrums 140 zu bewegen, dass die erste Linse 122, das Festkörperelement 124 und das NV-Zentrum 140 im Strahlengang des Objektivs in einer festen Position angeordnet sind. Zudem sind die Trägerplatte 120 und die Bewegungseinrichtung 112 eingerichtet, mittels einer Bewegung die Trägerplatte 120 relativ zum Gehäuse 110 derart in eine zweite Verbindungsposition zur Erfassung eines Objekts, welches auf einer bezüglich des Strahlengangs vom Mikroskop abgewandten Seite des Objektivs zum Abbilden mittels des Mikroskops angeordnet ist, zu bewegen, dass die zweite Linse 126 im Strahlengang in einer festen Position angeordnet ist und Licht vom Objekt in den Strahlengang lenkt oder umgekehrt Licht, welches vom Mikroskop aus durch den Strahlengang verläuft, zum Objekt lenkt.
In einigen Varianten - wie etwa in 3 dargestellt - ist die erste Linse 122 auf einer bezüglich des Strahlengangs die Mikroskop zugewandten Seite semisphärisch geformt, wodurch sich vorteilhaft die Lichtausbeute, insbesondere des vom NV-Zentrum emittierten Lichts, erhöhen lässt. Dabei weist in einigen Varianten die Trägerplatte 120 ein erstes optisches Element 128 auf, welches relativ zur ersten Linse 122 angeordnet und eingerichtet ist, wenn es in der ersten Verbindungsposition zusammen mit der ersten Linse 122, dem Festkörperelement 124 und dem NV-Zentrum 140 im Strahlengang des Objektivs angeordnet ist, eine sphärische Aberration aufgrund der semisphärisch geformten ersten Linse 122 zu kompensieren. Vorteilhaft lässt sich dieses erste optische Element 128 mittels der Bewegung für die zweite Verbindungsposition aus dem Strahlengang zusammen mit der semisphärisch geformten ersten Linse 122 und der Festkörperelement 124 mit dem NV-Zentrum 140 entfernen, sodass diese eine Abbildung des Objekts anhand der zweiten Linse 128 nicht stören und insbesondere ein scharfes Bild ermöglicht wird.
In 4 ist ein weiteres Objektiv 100 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als schematischer Schnitt dargestellt.
In einem Ausführungsbeispiel weist das weitere Objektiv 100 ein Gehäuse 110, eine Verbindungseinrichtung 102 und etwaig eines oder mehrere weitere optische Elemente 116 in einem Strahlengang des Objektivs auf. Dabei ist das weitere Objektiv 100 in einigen Varianten ähnlich dem Objektiv aus 3 ausgebildet, wobei die Verbindungseinrichtung 102 ein Gewinde aufweisen kann, sodass das Objektiv 100 mittels des Gewindes 102 mit einem handelsüblichen Mikroskop verbindbar ist.
Das weitere Objektiv 100 weist weiterhin ein Festkörperelement 124 auf, welches als Frontlinse des Objektivs ausgebildet ist und dabei bezüglich des Strahlengangs auf einer dem Mikroskop abgewandten Seite des Objektivs, insbesondere als letztes optisches Element entlang des Strahlengangs vom Mikroskop über das Objektiv zu einem etwaigen zu mikroskopierenden Objekt, angeordnet und derart geformt ist, dass, wenn ein Objekt beim Objektiv zum Mikroskopieren angeordnet ist, Licht von diesem Objekt in den Strahlengang geführt wird. Die Frontlinse 124 weist wenigstens ein - oder wie dargestellt - mehrere NV-Zentren 140 auf, welche derart angeordnet sind, dass Licht von diesen NV-Zentren 140 in den Strahlengang geführt und somit, wenn das (weitere) Objektiv 100 mit einem Mikroskop verbunden ist, anhand des Mikroskops abgebildet und etwaig mit einer Bilderfassungseinrichtung, insbesondere bildgebend, erfassbar sind.
Die Frontlinse 124 besteht in einigen Varianten aus Diamant - insbesondere aus genau einem monokristallinen Diamant -, wobei die NV-Zentren 140 Stickstoff-Fehlstellen-Zentren, insbesondere [NV]^--Zentren sind. Auf diese vorteilhaft Weise lassen sich gute optische Eigenschaften im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums sowohl für ein mikroskopierenden eines Objekts über die Frontlinse als auch für eine Detektion von Licht, welches von den NV-Zentren emittiert wird, und gute mechanische Eigenschaften - insbesondere eine geringe Kratzempfindlichkeit - erzielen sowie eine magnetfeldabhängige optische Detektion mit Anregungs- und Emissionslicht im sichtbaren Bereich an NV-Zentren mit weitgehend bekannten Eigenschaften ermöglichen.
Das weitere Objektiv 100 weist weiterhin eine Mikrowellenantennenanordnung 280 auf, welche eingerichtet ist, Mikrowellenstrahlung zu den NV-Zentren 140 in einem Frequenzbereich für eine Elektronenspinresonanz der NV-Zentren auszustrahlen, wobei dieser Frequenzbereich in einigen Varianten im Gigahertz-Bereich liegt, etwa für Varianten mit [NV]^- -Zentren als die NV-Zentren 140 in einem Bereich bei 2,87 GHz liegt und die Mikrowellenantennenanordnung 280 entsprechend etwa eingerichtet ist, Mikrowellenstrahlung zwischen 2,5 GHz und 3,5 GHz auszustrahlen. In einigen Varianten ist die Mikrowellenantennenanordnung 280 bei der Frontlinse, also bei dem Festkörperelement 124 mit den NV-Zentren 140 angeordnet, um insbesondere - im Vergleich mit einer weiter entfernten Anordnung - eine stärkere Kopplung der Mikrowellenantennenanordnung 280 mit den NV-Zentren 140 zu ermöglichen. Auch ist in einigen Varianten die Mikrowellenantennenanordnung 280 im Gehäuse 110 angeordnet, um insbesondere die Mikrowellenantennenanordnung 280 zu schützen, ein kompaktes Objektiv 100 zu ermöglichen und/oder die Handhabung des Objektivs 100 zu erleichtern.
Das weitere Objektiv 100 weist - wie dargestellt - in einigen Varianten eine Magnetfeldeinrichtung 180 auf, die eingerichtet ist ein statisches oder niederfrequentes Vormagnetisierungsfeldes für die NV-Zentren 140 zu erzeugen. Auch die Magnetfeldeinrichtung 180 kann entsprechend der Mikrowellenantennenanordnung 280 in einigen Varianten bei der Frontlinse 124 und/oder im Gehäuse 110 angeordnet sein. Auch sind in einigen Varianten die Magnetfeldeinrichtung 180 und die Mikrowellenantennenanordnung 280 als eine gemeinsame Mikrowellen-Magnetfeld-Einrichtung ausgebildet, welche eingerichtet ist, sowohl ein statisches oder niederfrequentes Vormagnetisierungsfeldes als auch eine Mikrowellenstrahlung für eine Elektronenspinresonanz der NV-Zentren auszustrahlen. In einigen Varianten ist die gemeinsame Mikrowellen-Magnetfeld-Einrichtung (oder entsprechend die Magnetfeldeinrichtung 180 oder die Mikrowellenantennenanordnung 280) zudem eingerichtet, elektromagnetische Strahlung im Megahertz-Bereich zum Erzeugen von Wirbelströmen in einem Testobjekt auszustrahlen. In einigen Varianten weist die gemeinsame Mikrowellen-Magnetfeld-Einrichtung (oder entsprechend die Magnetfeldeinrichtung 180 oder die Mikrowellenantennenanordnung 280) eine Spulenanordnung auf oder besteht daraus. In einigen Varianten ist die Spulenanordnung ringförmig um den Strahlengang und/oder die Frontlinse 124 ausgebildet. In einigen Varianten davon ist eine Spule oder sind mehrere Spulen der Spulenanordnung kernlos, insbesondere als Luftspule ausgebildet, wobei sich ein elektrischer Leiter der Spule/Spulen um den Strahlengang und/oder die Frontlinse 124 windet. Hierdurch lässt sich eine gute Kopplung erzielen und/oder eine Störung der optischen Eigenschaften - etwa aufgrund von Teilen der Magnetfeldeinrichtung 180 / Mikrowellenantennenanordnung 280 / Mikrowellen-Magnetfeld-Einrichtung im Strahlengang - vermeiden.
Das Gehäuse 110 weist in einigen Varianten Anschlusselemente 282, 284 für die Mikrowellenantennenanordnung 280 und/oder Anschlusselemente 182, 184 für die Magnetfeldeinrichtung 180 auf. In einigen Varianten davon sind diese mit der Verbindungseinrichtung 102 integriert oder bei dieser angeordnet, um insbesondere eine in der Handhabung einfache Verbindung sowohl des Objektivs 100 mit dem Mikroskop als auch eine gleichzeitige Verbindung der Magnetfeldeinrichtung 180 und/oder der Mikrowellenantennenanordnung 280 mit entsprechenden Systemen zum Erzeugen von Signalen für die Mikrowellenstrahlung, das Vormagnetisierungsfeld und/oder die elektromagnetische Strahlung im Megahertz-Bereich - etwa über weitere am Mikroskop angeordnete Verbindungselemente - zu ermöglichen.
5 skizziert eine Vorrichtung 200 mit einem Diamantplättchen 240 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In einem Ausführungsbeispiel weist das Diamantplättchen 240 ein Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum, insbesondere ein [NV]^--Zentrum, als wenigstens ein NV-Zentrum 140 auf. In einigen Varianten ist das Diamantplättchen 240 aus polykristallinem Diamant hergestellt, wodurch insbesondere eine einfache Herstellung ermöglicht wird. Dabei bleiben insbesondere die Eigenschaften von [NV]^--Zentren auch im polykristallinem Diamant erhalten.
In einem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 200 eine Mikrowellenantennenanordnung 280 sowie ein erstes Anschlusselement 282 und ein zweites Anschlusselement 284 für die Mikrowellenantennenanordnung 280 auf. In einigen Varianten weist die Mikrowellenantennenanordnung 280 eine Struktur mit einem elektrischen Leiter auf, welche mäandernd an einer Seite des Diamantplättchens 240 angeordnet ist. In einigen Varianten davon ist der elektrische Leiter auf das Diamantplättchen 240 aufgedampft oder ist der elektrische Leiter als Draht mit dem Diamantplättchen 240 mechanisch - etwa über eine Klebstoffverbindung - verbunden.
6 zeigt ein Mikroskop 300 für 2-Pi-Mikroskopie nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In einem Ausführungsbeispiel weist das Mikroskop 300 ein Objektiv 100 mit einem Diamantplättchen 240 als Festkörperelement sowie eine Mikrowellenantennenanordnung 280 auf. Alternativ weist in einigen Varianten das Mikroskop 300 ein Objektiv 100 und gesondert ein Festkörperelement 124 - etwa ein Diamantplättchen 240 - auf. Das Diamantplättchen 240 bzw. das Festkörperelement 124 weist eine Vielzahl an NV-Zentren 140 auf, welche zur magnetfeldabhängigen optischen Detektion in einen Fokalpunkt des Mikroskops 300 bzw. in einem Bildbereich des Mikroskops anordenbar sind.
Weiterhin weist das Mikroskop 300 in einigen Varianten eine Lichtquelle 340, insbesondere einen Laser, auf, die eingerichtet ist, ein Anregungslicht 304 für die NV-Zentren 140 zu erzeugen. In einigen Varianten davon mit [NV]^- -Zentren als NV-Zentren ist die Lichtquelle 340 als grüner Laser, insbesondere mit einer Wellenlänge von 515 nm ausgebildet. Weiterhin weist das Mikroskop 300 in einigen Varianten eine Bilderfassungseinrichtung 350, insbesondere mit einem elektronischen Bildsensor, auf, die eingerichtet ist, ein Emissionslicht 305 von den NV-Zentren 140 bildgebend zu erfassen. In einigen Varianten davon mit [NV]^--Zentren als NV-Zentren weist die Bilderfassungseinrichtung 350 einen Bildsensor auf, welcher für rotes Licht, insbesondere mit einer Wellenlänge von 637 nm sensitiv ist. Auch weist das Mikroskop 300 in einigen Varianten eine Strahlungsteilereinrichtung 330 auf, die eingerichtet ist, Anregungslicht 304 - etwa von einer Lichtquelle 340 - in einen Strahlengang des Mikroskops 300 einzukoppeln sowie von einem der NV-Zentren in den Strahlengang emittiertes Emissionslicht 305 zu einem Strahlengangausgang des Mikroskops - bei welchem etwa eine Bilderfassungseinrichtung 350 angeordnet ist - zu führen. In einigen Varianten ist die Strahlungsteilereinrichtung 330 als dichroitischer Spiegel ausgebildet.
In einem Ausführungsbeispiel - wie in 6 dargestellt - ist das Diamantplättchen 240 auf einer bezüglich des Strahlengangs dem Mikroskop zugewandten Seite mit einer für das von den NV-Zentren emittierte Licht antireflektierenden Beschichtung 244 beschichtet. Auf diese vorteilhafte Weise lassen sich Mehrfachreflexionen vermeiden und somit die Bildqualität erhöhen.
In einem Ausführungsbeispiel - wie in 6 dargestellt - ist das Diamantplättchen 240 auf einer bezüglich des Strahlengangs dem Mikroskop abgewandten Seite mit einer für das von den NV-Zentren emittierte Licht reflektierenden Beschichtung 245 beschichtet. Auf diese vorteilhafte Weise lässt sich auch das in Richtung der abgewandten Seite emittierte Licht 305 in den Strahlengang führen und somit eine Lichtausbeute und damit die Sensitivität erhöhen. In einigen Varianten sind die NV-Zentren 140 im Diamantplättchen 240 nahe an einer Oberfläche des Diamantplättchen bei der reflektierenden Beschichtung 245 angeordnet - etwa weniger als 100 nm, insbesondere weniger als 20 nm von der Oberfläche entfernt wodurch sich insbesondere Doppelbilder aufgrund der Reflexion reduzieren lassen und somit die Bildqualität erhöhen lässt.
In einigen Varianten ist die antireflektierenden Beschichtung 244 eingerichtet, auch für das Anregungslicht 304 antireflektierend zu sein, wodurch sich insbesondere die Effizienz bei der Anregung steigern lässt. In einigen Varianten ist die reflektierende Beschichtung 245 als dichroitische Beschichtung ausgebildet, welche für das Anregungslicht 304 antireflektierend ist, wodurch sich insbesondere eine Rückreflexion vermeiden lässt. Auch kann die reflektierende Beschichtung 245 für weitere Wellenlängen des Lichts antireflektierend sein, wodurch sich insbesondere ein Objekt hinter dieser Beschichtung 245 zumindest für solche Wellenlängen erfassen lässt, bei welchen die Beschichtung 245 das Licht nicht reflektiert.
In einem Ausführungsbeispiel - wie in 6 dargestellt - ist das Objektiv 100 als Spiegelobjektiv ausgebildet. In einigen Varianten kann das Spiegelobjektiv 100 als Schwarzschild-Objektiv ausgebildet sein. In einigen Varianten weist das Spiegelobjektiv 100 einen konkaven Spiegel 130 und einen konvexen Spiegel 132 auf. In einigen Varianten ist der konvexe Spiegel 132 dichroitisch und dabei durchlässig für das Anregungslicht 304 sowie reflektierend/spiegelnd für das Emissionslicht 305, wodurch insbesondere eine direkte Anregung der NV-Zentren 140 - insbesondere ohne Abbildung über das Spiegelobjektiv 100 - mittels des Anregungslicht 304 ermöglicht wird, während das Emissionslicht 305 mittels des Spiegelobjektivs 100 - etwa ausgehend von einem Fokalpunkt oder von einem Bildbereich - abgebildet wird. Auch kann der konvexe Spiegel 132 für das Anregungslicht 304 und für das Emissionslicht 305 reflektierend sein, womit insbesondere eine Fokussierung auf einen Fokalpunkt - etwa für eine konfokale Mikroskopie - ermöglicht wird.
Das Spiegelobjektiv 100 ist in einigen Varianten - wie in 7 dargestellt - derart ausgebildet, dass es einen Endspiegel 134 aufweist - etwa umfassend Diamant -, in welchem die NV-Zentren bzw. das wenigstens eine NV-Zentrums - insbesondere in der Nähe einer Seite des Endspiegels 134, welche beim Mikroskopieren einem zu mikroskopierenden Objekt zugewandt ist - ausgebildet sind. Auf diese vorteilhafte Weise können der separate konvexe Spiegel und das Festkörperelement bzw. das Diamantplättchen entfallen, wobei deren Funktion in dem Endspiegel 134 kombiniert wird. In einigen Varianten ist eine Seite des Endspiegels, welche beim Mikroskopieren einem zu mikroskopierenden Objekt zugewandt ist, mit einer für das Emissionslicht 305 reflektierenden Beschichtung 244 beschichtet. In einigen Varianten ist eine Seite des Endspiegels, welche beim Mikroskopieren einem zu mikroskopierenden Objekt abgewandt ist, mit einer für das Anregungslicht 304 antireflektierenden Beschichtung 245 oder mit einer für das Emissionslicht 305 reflektierenden Beschichtung 245, insbesondere mit einer dichroitischen Beschichtung 245 beschichtet, wodurch sich die Effizienz der Anregung mittels Anregungslicht 304 steigern lässt und/oder - etwaig eingestreute - Lichtkomponenten, insbesondere entlang des Strahlengangs zu den NV-Zentren, reduzieren lassen, also etwa ein Hintergrundrauschen im Spektralbereich des Emissionslichts 305 reduziert werden kann.
Ein Vorteil des Spiegelobjektivs kann insbesondere darin liegen, dass dieses über eine große Bandbreite bzw. einen großen Bereich an Wellenlängen achromatisch ist und somit sich chromatische Verzerrungen auch bei Emissionslicht 305, welches eine große Spektralbandbreite - etwa 100 nm für [NV]^--Zentren - aufweist, reduzieren lassen.
In 8 ist eine Verwendung eines Mikroskops zur bildgebenden Bestimmung eines Magnetfelds veranschaulicht.
Dabei wird in einem Ausführungsbeispiel ein Elektronik-Chip 574, welcher auf einer Platine 572 in einem Sockel 576 angebracht ist, analysiert und mittels der Bestimmung des Magnetfelds im Elektronik-Chip 574 fließende Ströme bestimmt. Der Elektronik-Chip 574 ist über mehrere Leitungen 578 etwa mit weiteren Komponenten auf der Platine 572 und/oder mit einem Versuchsaufbau zum Einspeisen und oder Auslesen von bestimmten Spannungen oder Strömen verbunden. So kann der Chip 574 etwa - in seiner üblichen Funktion - auf der Platine 572 betrieben werden oder mittels Einspeisen bestimmter Spannungen/Ströme gezielt manipuliert werden. Bei dem Chip 574 ist eine Vorrichtung mit einem Diamantplättchen 240, einer Mikrowellenantennenanordnung 280 sowie Anschlüssen 282, 284 für die Mikrowellenantennenanordnung angebracht. In einigen Varianten der Verwendung kann dabei ein Gehäuse des Elektronik-Chips 574 oben - d. h. insbesondere an einer der Platine gegenüberliegenden Seite - geöffnet sein, was auch als „geköpft“ bezeichnet wird, wodurch eine bessere Kopplung des auf diese Seite gelegten Diamantplättchens 240 ermöglicht wird. Aufgrund von im Chip 574 fließenden elektrischen Strömen wird ein (ortsabhängiges) Magnetfeld induziert, welches ein wenigstens eines NV-Zentrum des Diamantplättchens derart beeinflusst, dass eine Elektronenspinresonanz beim wenigstens einen NV-Zentrum für eine bestimmte Frequenz von einer mittels der Mikrowellenantennenanordnung 280 eingestrahlten Mikrowellenstrahlung verstärkt oder abgeschwächt wird, wodurch sich bei Anregung mittels Anregungslichts die Fluoreszenz des wenigstens einen NV-Zentrums, also das emittierte Emissionslicht reduziert bzw. zunimmt. Durch Bewegen der Platine 572 zusammen mit dem Elektronik-Chip 574 über eine Vielzahl an Positionen mittels Aktuatoren 372, lässt sich über die Fluoreszenz bzw. deren Änderung ein jeweils lokal wirkendes Magnetfeld beim NV-Zentrum für die Vielzahl an Positionen bestimmen und so ein Gesamtmagnetfeld und entsprechend eine elektrische Stromdichte, welche ein solches Gesamtmagnetfeld erzeugt, bestimmen. In einigen Varianten sind die Aktuatoren 372 als Piezo-Aktuatoren ausgebildet oder weisen solche auf. Auch können die Aktuatoren 372 eingerichtet sein, die Platine 572 oder entsprechend ein anderes zu analysierendes/untersuchendes Objekt durch eine sogenannte „slip and stick motion“ zu bewegen. Auch kann in einigen Varianten mit „geköpftem“ Elektronik-Chip dieser Chip 574 auf der geöffneten Seite poliert sein, wodurch ein besonders guter Kontakt und damit eine besonders gute Kopplung des Magnetfelds in das Diamantplättchen ermöglicht werden. Auch sind einige Varianten eingerichtet, einen zu analysierenden Bildbereich mittels der Mikrowellenantennenanordnung 280 zu umrahmen, wodurch sich die Elektronenspinresonanz hauptsächlich und effizient in diesem Bereich (bei geeigneter Mikrowellenfrequenz in Abhängigkeit vom lokal wirkenden Magnetfeld) anregen lässt.
Bei einer entsprechenden Verwendung lässt sich ein entsprechender Messaufbau verwenden, welcher eine Einrichtung zum Erzeugen von Wirbelströmen aufweist, also etwa die Mikrowellenantennenanordnung eingerichtet ist, neben elektromagnetische Strahlung im Mikrowellenbereich auch elektromagnetische Strahlung im Megahertz-Bereich zu erzeugen, um ein Objekt aufweisend ein leitfähiges Material zu untersuchen. Ein solches Objekt kann etwa ein metallisches Werkstück - etwa aus einem 3-D-Druckverfahren - sein. Dabei kann die Einrichtung zum Erzeugen von Wirbelströmen eingerichtet sein, die Wirbelströme in einer bestimmten Materialtiefe oder bis zu einer bestimmten Materialtiefe zu erzeugen. Ein Vorteil dieser Verwendung kann insbesondere darin liegen, dass eine elektrische Leitfähigkeit im Objekt - etwa bei der bestimmten Materialtiefe - ortsaufgelöst bestimmbar ist, wobei die elektrische Leitfähigkeit Rückschlüsse über eine Güte des leitfähigen Materials ermöglicht. So lassen sich etwa Einschlüsse oder mangelhaft ausgebildete metallische Verbindungen - deren Ausdehnung üblicherweise im Bereich von Mikrometern liegt - in einem mittels 3-D-Druckverfahren hergestellten metallischen Werkstück basierend auf einer Änderung der induzierbaren Wirbelströme und damit eines daraus resultierenden Magnetfelds bestimmen.
In 9 ist ein Messaufbau 500 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, welche eingerichtet ist zur dreidimensionalen Bestimmung eines Magnetfelds mittels eines Konfokalmikroskops 530.
In einem Ausführungsbeispiel weist der Messaufbau 500 das Konfokalmikroskop 530 auf. Zudem weist der Messaufbau 500 in einem Ausführungsbeispiel ein Festkörperelement 540 mit einer Vielzahl an NV-Zentren 140 auf, wobei sich die NV-Zentren über alle drei Dimensionen im Festkörperelement 540 räumlich erstrecken. In einigen Varianten ist das Festkörperelement 540 aus einem monokristallinen oder einem polykristallinen Diamant hergestellt, wobei die NV-Zentren 140 entsprechend [NV^-]-Zentren sind.
Außerdem ist in 9 ein zu untersuchendes Objekt 570, welches nicht notwendigerweise ein Bestandteil des Messaufbaus 500 ist, sondern dort zur Messung, d. h. zur Bestimmung des Magnetfelds - insbesondere eines solchen Magnetfeldes, welches durch das Objekt 570 erzeugt wird - angeordnet werden kann. Entsprechend kann auch ein weiteres Objekt dort angeordnet werden.
In einem Ausführungsbeispiel weist das Konfokalmikroskop 530 eine Strahlungsteilereinrichtung 330 sowie weitere optische Elemente 116 auf, welche eingerichtet sind, ein Anregungslicht 304 in einem Strahlengang des Konfokalmikroskops 530 auf einen Fokalpunkt zu bündeln sowie vom Fokalpunkt ausgestrahltes Licht 305, insbesondere Emissionslicht, welches von einem NV-Zentrum der Vielzahl an NV-Zentren 140 emittiert wird, in den Strahlengang zu führen. Dabei ist die Strahlungsteilereinrichtung 330 eingerichtet, den Strahlengang bezüglich des Anregungslichts 304 und des Lichts 305 aufzuteilen.
In einem Ausführungsbeispiel weist der Messaufbau 500 weiterhin einen grünen Laser 340 als Lichtquelle zur Anregung der NV-Zentren, insbesondere mit einer Wellenlänge von 515 nm, sowie eine Fotodiode 350 zur Detektion von am Fokalpunkt emittiertem Emissionslicht, insbesondere mit einer hohen Sensitivität für eine Wellenlänge von 637 nm, auf. In alternativen Varianten kann der Messaufbau auch eine andere Lichtquelle und/oder anstelle der Fotodiode eine Bilderfassungseinrichtung 350 aufweisen, wobei diese abhängig von den jeweils beim Messaufbau verwendeten NV-Zentren ein entsprechendes Anregungslicht erzeugen bzw. für ein entsprechendes emissionslichtsensitiv sind.
Mittels des Konfokalmikroskops 530 lassen sich verschiedene Positionen im Festkörperelement 540 abrastern, d. h. der Fokalpunkt auf jeweils eine solche Position fokussieren. Zur dreidimensionalen Bestimmung des Magnetfelds werden dabei solche Positionen abgerastert, an welchen jeweils eines der NV-Zentren 140 angeordnet ist. Mittels einer - in 9 nicht dargestellten Mikrowellenantennenanordnung - lässt sich eine Elektronenspinresonanz des dortigen NV-Zentrums anregen, wobei die Anregung bzw. die hierfür erforderliche (Mikrowellen-) Frequenz von dem bei diesem NV-Zentrum wirksamen Magnetfeld abhängig ist. Nachdem wiederum eine solche Elektronenspinresonanz zu einer Reduzierung der Fluoreszenz führt, lässt sich aus einer Änderung der Fluoreszenz das dort wirksame Magnetfeld bestimmen.
Neben einer dreidimensionalen Bestimmung eines Magnetfelds über das Festkörperelement 540, in welchem die Vielzahl an NV-Zentren sich über alle drei Dimensionen erstreckt, lässt sich ein entsprechender Messaufbau 500 mit einem entsprechenden Verfahren auch für eine zweidimensionale Bestimmung verwenden, wobei NV-Zentren in einer zweidimensionalen Fläche abgerastert werden und etwa ein Diamantplättchen verwendet wird, bei welchem die NV-Zentren in einer Ebene - etwa in der Nähe einer Oberfläche des Diamantplättchens - angeordnet sind. Dabei lässt sich mittels der konfokalen Mikroskopie eine besonders hohe Auflösung erzielen.
10 zeigt ein Flussdiagram eines Verfahrens 400 zur dreidimensionalen Bestimmung eines Magnetfelds nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 400 die Verfahrensschritte 420, 430, 432, 434, 436, 442, 446, 448 und 480 sowie die Verfahrensbedingungen 410 und 416 auf. Das Verfahren 400 beginnt beim Verfahrensstart 402 und endet beim Verfahrensende 404.
Dabei kann in einigen Varianten ein Messaufbau gemäß der Erfindung, insbesondere ein bezüglich 9 beschriebener Messaufbau, verwendet werden.
Im Verfahrensschritt 420 wird ein Festkörperelement mit einer Vielzahl an NV-Zentren in dem zu bestimmenden Magnetfeld angeordnet. Ein solches Magnetfeld kann etwa in einigen Varianten durch ein zu untersuchendes Objekt erzeugt werden. Auch kann in einigen Varianten ein solches Magnetfeld - etwa mit einer Einrichtung zum Erzeugen von Wirbelströmen - in dem zu untersuchenden Objekt induziert werden. So kann in einigen Varianten das Verfahren zur Untersuchung eines metallischen Werkstücks - etwa bei Herstellung oder Verarbeitung mit 3-D Druck, Schweißen oder einem Gussverfahren - verwendet werden.
Im Verfahrensschritt 430 wird das Festkörperelement mittels eines Konfokalmikroskops dreidimensional abgerastert. Dazu werden im Verfahrensschritt 430 die Verfahrensschritte 432, 434 und 436 iterativ ausgeführt bis gemäß Verfahrensbedingung 410 eine ausreichende Anzahl an Volumenelementen im Festkörperelement und damit / bzw. eine ausreichende Anzahl an NV-Zentren der Vielzahl an NV-Zentren erfasst worden ist.
Im Verfahrensschritt 432 wird ein erster bzw. bei weiteren Iterationen ein entsprechender weiterer Fokalpunkt fokussiert und dort ein NV-Zentrum der Vielzahl an NV-Zentren mittels Anregungslicht optisch angeregt.
Im Verfahrensschritt 434 wird Mikrowellenstrahlung zu dem NV-Zentrum ausgestrahlt, welches eine Frequenz zur Anregung der Elektronenspinresonanz des NV-Zentrums hat.
Im Verfahrensschritt 436 wird ein beim jeweiligen Fokalpunkt durch das NV-Zentrum emittiertes Emissionslicht in Abhängigkeit von der Elektronenspinresonanz erfasst und werden dazu die Verfahrensschritte 442 und 446 für eine Vielzahl an bestimmten Werten eines Vormagnetisierungsfeldes, welches sich mit dem zu bestimmenden Magnetfeld überlagert, ausgeführt, wobei die bestimmten Werte eine Stärke sowie eine räumliche Ausrichtung des Vormagnetisierungsfeldes festlegen.
Im Verfahrensschritt 442 wird das Vormagnetisierungsfeld mit einem Wert der Vielzahl an bestimmten Werten erzeugt.
Im Verfahrensschritt 446 wird das Emissionslicht des NV-Zentrums beim jeweiligen Fokalpunkt bzw. dessen Änderung für den Wert der Vielzahl an Werten des Vormagnetisierungsfeldes erfasst.
Bei Verfahrensbedingung 416 wird überprüft, ob bereits für alle Werte des Vormagnetisierungsfeldes ein Emissionslicht beim jeweiligen Fokalpunkt erfasst worden ist, und sofern dies der Fall ist - symbolisiert durch <y>-, das Verfahren 400 bei Verfahrensbedingung 410 fortgesetzt. Andernfalls, wenn also noch für weitere Werte das Emissionslicht zu erfassen ist - symbolisiert durch <n> -, wird das Verfahren 400 bei Verfahrensschritt 442 für einen Wert der Vielzahl an bestimmten Werten für das Vormagnetisierungsfeld fortgesetzt, für welchen das Emissionslicht am jeweiligen Fokalpunkt noch nicht erfasst worden ist. In einigen Varianten wird das Vormagnetisierungsfeld also über alle bestimmten Werte für das Vormagnetisierungsfeld variiert. Alternativ kann in einigen Varianten das Emissionslicht nur für einen Wert des Vormagnetisierungsfeldes oder ohne Vormagnetisierungsfeld erfasst werden, womit Verfahrensschritt 442 sowie Verfahrensbedingung 416 entfallen kann und Verfahrensschritt 430 Verfahrensschritt 446 entspricht.
Bei Verfahrensbedingung 410 wird überprüft, ob eine ausreichende Anzahl an Volumenelementen im Festkörperelement und damit / bzw. eine ausreichende Anzahl an NV-Zentren der Vielzahl an NV-Zentren erfasst worden ist, und sofern dies der Fall ist - symbolisiert durch <y> -, das Verfahren 400 bei Verfahrensschritt 480 fortgesetzt. Andernfalls - symbolisiert durch <n> - wird das Verfahren 400 bei Verfahrensschritt 432 für einen weiteren Fokalpunkt, also insbesondere für einen Fokalpunkt in einem noch nicht abgerasterten Volumenelement, fortgesetzt.
Die jeweils erforderliche Anzahl kann dabei abhängig von der gewünschten räumlichen Auflösung, der Gesamtzahl an NV-Zentren, deren Anordnung und/oder einer Struktur des Magnetfelds sein. So ist etwa für eine geringe räumliche Auflösung und ein weitgehend homogenes Magnetfeld oder ein Magnetfeld mit schwachen Gradienten eine geringere Anzahl an zu erfassenden NV-Zentren erforderlich, als für eine hohe räumliche Auflösung oder ein stark inhomogenes Magnetfeld, bei welchem sich Magnetfeldgradienten auch über kleine Raumabschnitte - etwa über wenige Mikrometer - stark ändern. Zudem kann die erforderliche Anzahl abhängig vom Gesamtvolumen, über welches das Magnetfeld bestimmt werden soll, sein. So ist etwa für ein größeres Volumen eine höhere Anzahl von entsprechend über dieses größere Volumen verteilten Volumenelementen erforderlich als für ein kleineres Volumen, in welchem das Magnetfeld bestimmt werden soll. Die (ausreichende) Anzahl an Volumenelementen und entsprechend an NV-Zentren wird in einigen Varianten über ein Raster festgelegt. So kann etwa entlang einer ersten Achse durch das Festkörperelement eine erste Schrittweite, entlang einer zweiten Achse eine zweite Schrittweite und entlang einer dritten Achse eine dritte Schrittweite festgelegt werden, wobei die Schrittweiten gleich oder unterschiedlich sein können. So kann etwa die Schrittweite für die erste und die zweite Achse 50 nm betragen und die Schrittweite für die dritte Achse - für die etwa eine geringere räumliche Auflösung erforderlich ist und/oder etwa das Magnetfeld sich im geringeren Maße ändert - 2 µm betragen.
Im Verfahrensschritt 480 wird das Magnetfeld basierend auf dem jeweils bei den NV-Zentren emittierten Licht bestimmt. Dazu wird bei Varianten, bei welchen ein Vormagnetisierungsfeld variiert wird, Verfahrensschritt 448 ausgeführt. Im Verfahrensschritt 448 wird ein Magnetfeld-Vektor bestimmt, indem zunächst anhand der Abhängigkeit des beim jeweiligen Fokalpunkt vom jeweiligen NV-Zentrum emittierten Emissionslicht von der Elektronenspinresonanz ein jeweils dort wirkendes lokales Magnetfeld, also insbesondere eine dort wirkende lokale Magnetfeldstärke bestimmt wird und dann basierend auf einer Änderung dieser dort lokal wirkenden lokalen Magnetfeldstärke für verschiedene Stärken und Ausrichtungen des Vormagnetisierungsfeldes, welches sich dort mit dem lokalen Magnetfeld überlagert, ein jeweiliger Magnetfeld-Vektor bestimmt wird. So nimmt etwa die dort insgesamt wirkende lokale Magnetfeldstärke ab, wenn das zu untersuchende Magnetfeld und das Vormagnetisierungsfeld sich dort destruktiv überlagern - also eine entgegengesetzte Richtung aufweisen. Entsprechend wird bei Varianten ohne Vormagnetisierungsfeld das Magnetfeld bzw. seine Stärke basierend auf dem Emissionslicht und dessen Abhängigkeit von der Elektronenspinresonanz bestimmt. In einigen Varianten kann für die Abhängigkeit von der Elektronenspinresonanz auch die Frequenz der Mikrowellenstrahlung variiert werden.
In einigen Varianten werden nach Verfahrensschritt 480 Daten, die das Magnetfeld kennzeichnen - etwa ein Vektormodell des Magnetfelds -, in einer Speichervorrichtung gespeichert oder an einer Benutzerschnittstelle eine Darstellung davon ausgegeben.
Das Verfahren 400 kann für weitere zu untersuchende Objekte bzw. für weitere zu untersuchende Magnetfelder bei Verfahrensschritt 420 beginnend wiederholt werden.
In einigen Varianten kann das Verfahren 400 auch einen oder mehrere Kalibrierungsschritte aufweisen, bei welchen für das Festkörperelement oder für ein weiteres Festkörperelement ein an jeweiligen Volumenelementen ausgestrahltes Licht bestimmt wird, wobei eines oder mehrere bestimmte Vormagnetisierungsfelder erzeugt werden und/oder übrige Magnetfelder abgeschirmt werden. Auch kann dabei zunächst ausgestrahltes Licht ohne Anregung von NV-Zentren bestimmt werden, um ein Hintergrundrauschen zu bestimmen und etwaig dieses Hintergrundrauschen von einem später erfassten Licht, welches sowohl Anteile von Hintergrundrauschen als auch von Emissionslicht aufweist, zu subtrahieren.
Während einige Ausführungsbeispiele bezüglich eines oder mehrerer [NV]^- - Zentren beschrieben wurden, kann der Fachmann diese auch für weitere NV-Zentren anpassen. So wird etwa in einigen Abwandlungen mit einer sogenannten „hexagonal lattice site silicon vacancy (VSi)“ als Anregungslicht ein Licht mit einer Wellenlänge von höchstens 861 nm, also etwa ein Anregungslicht mit einer Wellenlänge von 730 nm mit einer Laserdiode erzeugt und als Licht aus dem Raumbereich bzw. aus dem jeweils ausgewählten Raumabschnitt, insbesondere also das Emissionslicht für eine Wellenlänge wenigstens im Bereich zwischen 875 nm und 890 nm erfasst sowie als Mikrowellenstrahlung eine Mikrowellenstrahlung mit einer Frequenz im Bereich von 4,5 MHz erzeugt.
Mit dem Obenstehenden ergeben sich auch die folgenden Ausführungen und/oder sind mit dem Obenstehenden beispielhaft ausgeführt.
In einigen Ausführungsformen des Objektivs besteht eine Frontlinse des Objektivs aus dem Festkörperelement oder weist das Festkörperelement auf. Ein Vorteil der Frontlinse aus dem Festkörperelement kann insbesondere darin liegen, dass keine Übergänge zwischen verschiedenen Materialien in der Frontlinse erforderlich sind, wodurch sich die Abbildungsqualität steigern lässt. Zudem lässt sich durch das somit in der Frontlinse angeordnete wenigstens eine NV-Zentrums ein optischer Aufbau des Objektivs und somit dessen Herstellung vereinfachen.
In einigen Ausführungsformen ist eine Linse des Objektivs mit dem Festkörperelement integral und optisch durchlässig verbunden, wodurch sich insbesondere die Abbildungsqualität steigern lässt.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Festkörperelement Diamant oder besteht daraus. Dabei weist der Diamant ein Stickstoff-Fehlstellen-Zentrums als das wenigstens eine NV-Zentrums auf. Ein Vorteil des Stickstoff-Fehlstellen Zentrums kann insbesondere darin liegen, dass dieses weitgehend bekannte Eigenschaften hat und sich somit - insbesondere in der kommerziellen Anwendung - besonders gut für die magnetfeldabhängige optische Detektion eignet.
In einigen Ausführungsformen ist das Festkörperelement oder ist eine Linse mit dem Festkörperelement auf einer bezüglich des Strahlengangs dem Mikroskop zugewandten Seite semisphärisch geformt, wodurch sich insbesondere die Lichtausbeute, also insbesondere die Ausbeute von Emissionslicht von dem wenigstens einen NV-Zentrums steigern lässt.
Bei einigen Ausführungsformen, bei welchen eine Linse oder das Festkörperelement semisphärisch geformt ist, weist das Objektiv ein optisches Element auf, das im Strahlengang eingerichtet ist, eine sphärische Aberration aufgrund der semisphärisch geformten Linse bzw. des semisphärisch geformten Festkörperelements zu kompensieren.
Bei einigen Ausführungsformen, insbesondere welche ein semisphärisch geformtes Festkörperelement oder eines semisphärisch geformt Linse aufweisen, sind das Festkörperelement bzw. diese Linse sowie ein optisches Element zur Kompensation einer sphärischen Aberration aus dem Strahlengangs entfernbar.
In einigen Ausführungsformen weist die Vorrichtung mit einer Mikrowellenantennenanordnung - etwa das Objektiv, die Vorrichtung mit dem Diamantplättchen oder ein Objektträger für Mikroskop - oder das Objektiv ohne Mikrowellenantennenanordnung eine Magnetfeldeinrichtung auf, die eingerichtet ist, statisches oder niederfrequentes Vormagnetisierungsfeld zu erzeugen.
In einigen Ausführungsformen ist die Mikrowellenantennenanordnung eingerichtet, Mikrowellenstrahlung im Gigahertz-Bereich für eine Elektronenspinresonanz bei wenigstens einem NV-Zentrum sowie elektromagnetische Strahlung im Megahertz-Bereich zum Erzeugen von Wirbelströmen in einem Testobjekt auszustrahlen.
In einigen Ausführungsformen ist das Festkörperelement des Objektivs bzw. das Diamantplättchen mit einer reflektierenden Beschichtung beschichtet, welche für ein Licht zum Anregen der NV-Zentren oder für ein Licht, das die NV-Zentren aufgrund deren Anregung emittieren, reflektierend ist.
In einigen Ausführungsformen ist das Festkörperelement des Objektivs bzw. das Diamantplättchen mit einer für das emittierte Licht antireflektierenden Beschichtung beschichtet.
In einigen Ausführungsformen ist das Objektiv als Spiegelobjektiv ausgebildet.
In einigen Ausführungsformen weist das Verfahren zur dreidimensionalen Bestimmung eines Magnetfelds weiterhin auf: ein Variieren eines Vormagnetisierungsfeldes, welches sich mit dem zu bestimmenden Magnetfeld überlagert; ein Erfassen einer Variation des jeweils emittierten Lichts beim Abrastern aufgrund des variierenden Vormagnetisierungsfeldes; sowie ein Bestimmen von Magnetfeld-Vektoren bei den NV-Zentren basierend auf der Variation des emittierten Lichts. Auf diese Vorteilhafterweise lässt sich das Magnetfeld als dreidimensionales Vektorfeld bestimmen.
Die vorgenannten Vorrichtungen und Verfahren zur magnetfeldabhängigen optischen Detektion lassen sich vorteilhaft in einigen Varianten für folgendes verwenden: Eine dreidimensionale Bestimmung von Magnetfeldern in der Verfahrenssteuerung, wobei vorteilhaft magnetische Felder im Vergleich zu elektrischen Feldern meist nur schwach von Materialien abgeschirmt werden; somit lässt sich in der Verfahrenssteuerung - etwa bei der Herstellung von Produkten - über die dreidimensionale Bestimmung von Magnetfeldern eine Materialzusammensetzung eines in einem mit der Verfahrenssteuerung gesteuerten Herstellungsverfahren hergestellten Produkts unterhalb dessen Oberfläche, also im Produkt selbst und nicht nur oberflächlich bestimmen; wenn etwa das Material des Produkts teilweise magnetisch, magnetisierbarer oder elektrisch leitfähig ist, lassen sich statische Magnetfelder und/oder Wirbelströme erfassen und zur Verfahrenssteuerung verwenden; dabei ermöglicht insbesondere ein solches Verfahren mit konfokaler Mikroskopie eine besonders hohe räumliche Auflösung, einschließlich einer Auflösung in die Tiefe des zu untersuchenden Produkts bzw. Materials; dabei lässt sich eine räumliche Auflösung erzielen, welche etwa bei einem Festkörperelement umfassend Diamant zumindest für Abstände, die größer als 1 µm sind, etwa dem Abstand des Festkörperelements vom zu untersuchenden Produkt entspricht. Entsprechend lässt sich die dreidimensionale Bestimmung von Magnetfeldern auch zur Qualitätskontrolle in einem 3-D-Druck-Verfahren, beim Schweißen oder bei einem Gussverfahren verwenden. Weiter lässt sich die magnetfeldabhängige optische Detektion für die Biosensorik oder für die Analyse von elektronischen Schaltkreisen einsetzten, wobei vorteilhaft die Fluoreszenz über das Magnetfeld gesteuert werden kann. Dabei sind in einigen Varianten auch ein hoher dynamischer Bereich und/oder eine hohe Sensitivität der Fluoreszenz bezüglich des Magnetfelds vorteilhaft. Dabei lässt sich für eine Bestimmung eines Magnetfelds bzw. einer Magnetfeldstärke eine Sensitivität von etwa 10^-9 bis 10^-12 Tesla/sqrt(Hz) bezüglich einer Variation der eingestrahlten Mikrowellenstrahlung erzielen.
Während Ausführungsbeispiele, Anwendungsmöglichkeiten und Anwendungsbeispiele insbesondere unter Bezugnahme auf die Figuren detailliert beschrieben wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen und Anwendungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendung und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung und/oder Anwendung von mindestens einem Ausführungsbeispiel gegeben, wobei diverse Abwandlungen, insbesondere alternative oder zusätzliche Merkmale und/oder Abwandlungen der Funktion und/oder Anordnungen der beschriebenen Bestandteile, nach Wunsch des Fachmanns vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seiner rechtlichen Äquivalente abgewichen wird und/oder deren Schutzbereich verlassen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8193808 B2 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Rogers, L. J.; Armstrong, S.; Sellars, M. J.; Manson, N. B. (2008). „Infrared emission of the NV centre in diamond: Zeeman and uniaxial stress studies“. New Journal of Physics. 10 (10): 103024 [0024]
Doherty, Marcus W.; Manson, Neil B.; Delaney, Paul; Jelezko, Fedor; Wrachtrup, Jörg; Hollenberg, Lloyd C. L. (2013-07-01). „The nitrogen-vacancy colour centre in diamond“. Physics Reports. The nitrogen-vacancy colour centre in diamond. 528 (1): 1-45.) [0024]

Claims

Objektiv (100) für ein Mikroskop, aufweisend ein in einem Strahlengang des Objektivs anordenbares Festkörperelement (124) mit wenigstens einem NV-Zentrum (140).
Objektiv (100) gemäß Anspruch 1, wobei eine Frontlinse des Objektivs aus dem Festköperelement (124) besteht.
Objektiv (100) gemäß Anspruch 1, wobei eine Linse (122) des Objektivs mit dem Festkörperelement (124) integral und optisch durchlässig verbunden ist.
Objektiv (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Festkörperelement (124) Diamant umfasst und der Diamant ein Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum als das wenigstens eine NV-Zentrum (140) aufweist.
Objektiv (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Festkörperelement oder eine Linse (122) mit dem Festkörperelement (124) auf einer bezüglich des Strahlengangs dem Mikroskop zugewandten Seite semisphärisch geformt ist.
Objektiv (100) gemäß Anspruch 5, welches ein optisches Element (128) aufweist, das im Strahlengang eingerichtet ist, eine sphärische Aberration aufgrund des semisphärisch geformten Festkörperelements bzw. der semisphärisch geformten Linse (122) zu kompensieren.
Objektiv (100) gemäß Anspruch 6, wobei das Festkörperelement (124) und das optische Element (128) aus dem Strahlengang entfernbar sind.
Vorrichtung (100, 200) mit einer Mikrowellenantennenanordnung (280), wobei die Vorrichtung ein Diamantplättchen (240) mit wenigstens einem NV-Zentrum (140) aufweist, ein Objektiv (100) für ein Mikroskop, insbesondere gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ist oder ein Objektträger für ein Mikroskop ist.
Vorrichtung (100, 200) gemäß Anspruch 8, weiterhin aufweisend eine Magnetfeldeinrichtung (180), die eingerichtet ist, ein statisches oder niederfrequentes Vormagnetisierungsfeld zu erzeugen.
Vorrichtung (100, 200) gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei die Mikrowellenantennenanordnung (280) eingerichtet ist, Mikrowellenstrahlung im Gigahertz-Bereich für eine Elektronenspinresonanz bei wenigstens einem NV-Zentrum (140) sowie elektromagnetische Strahlung im Megahertz-Bereich zum Erzeugen von Wirbelströmen in einem Testobjekt auszustrahlen.
Objektiv (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 bzw. Vorrichtung (200) mit dem Diamantplättchen gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Festkörperelement (124) des Objektivs bzw. das Diamantplättchen (240) mit einer reflektierenden Beschichtung (245) beschichtet, welche für ein Licht zum Anregen der NV-Zentren oder für ein Licht, das die NV-Zentren (140) aufgrund deren Anregung emittieren, reflektierend ist.
Objektiv (100) bzw. Vorrichtung (200) mit Diamantplättchen gemäß Anspruch 10, welches weiterhin mit einer für das emittierte Licht antireflektierenden Beschichtung (244) beschichtet ist.
Objektiv (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welches als Spiegelobjektiv ausgebildet ist.
Mikroskop (300), welches für 2-Pi oder 4-Pi Mikroskopie eingerichtet ist und in einem Fokalpunkt ein Festkörperelement (124, 240) mit wenigstens einem NV-Zentrum (140) aufweist.
Verwendung eines Mikroskops (300) gemäß Anspruch 14 oder eines Mikroskops mit einem Objektiv (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 oder mit einer Vorrichtung (200) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Mikroskop zur bildgebenden Bestimmung eines Magnetfelds basierend auf einer optischen Detektion einer Elektronenspinresonanz bei wenigstens einem NV-Zentrum (140) verwendet wird.
Verfahren (400) zur dreidimensionalen Bestimmung eines Magnetfelds, aufweisend: - (420) Anordnen eines Festkörperelements mit einer Vielzahl an NV-Zentren in dem zu bestimmenden Magnetfeld; - (430) Dreidimensionales Abrastern des Festkörperelements mittels eines Konfokalmikroskops und dabei jeweils: -- (432) Anregen eines oder mehrerer NV-Zentren der Vielzahl an NV-Zentren bei einem jeweiligen Fokalpunkt; -- (434) Ausstrahlen von Mikrowellenstrahlung für eine Elektronenspinresonanz bei den jeweiligen NV-Zentren; sowie -- (436) Erfassen von beim jeweiligen Fokalpunkt durch die NV-Zentren emittierten Licht in Abhängigkeit von der Elektronenspinresonanz; und - (480) Bestimmen des Magnetfelds basierend auf dem jeweils bei den NV-Zentren emittierten Licht und dessen Abhängigkeit von der Elektronenspinresonanz.
Verfahren (400) gemäß Anspruch 16, weiterhin aufweisend: - (442) Variieren eines Vormagnetisierungsfeldes, welches sich mit dem zu bestimmenden Magnetfeld überlagert; - (446) Erfassen einer Variation des jeweils emittierten Lichts beim Abrastern aufgrund des variierenden Vormagnetisierungsfeldes; und - (448) Bestimmen von Magnetfeld-Vektoren bei den NV-Zentren basierend auf der Variation des emittierten Lichts.