DE102019128932A1 - Verfahren, Vorrichtungen und System zum Messen einer Messgröße - Google Patents

Abstract

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahren, Vorrichtungen und Systeme zum Messen einer Messgröße zu verbessern.Hierfür wird in einem Messverfahren eine Messgröße basierend auf einem NV-Zentrum als Quantensensor gemessen. Das NV-Zentrum weist mehrere Quantenzustände auf und ist mittels eines Anregungslichts abhängig von einer Besetzung eines der Quantenzustände optisch in wenigstens einen angeregten Zustand der Quantenzustände anregbar. Der wenigstens eine angeregte Zustand kann zumindest unter Emission von Emissionslicht des NV-Zentrums zerfallen. Im Messverfahren wird das NV-Zentrum mit dem Anregungslicht bestrahlt, wobei das Anregungslicht eine zeitlich periodische Modulation aufweist und wobei eine jeweilige Besetzungswahrscheinlichkeit und/oder eine jeweilige Lebensdauer der Quantenzustände von der Messgröße und dem Anregungslicht abhängt. Zwischen dem Emissionslicht des NV-Zentrums und der Modulation des Anregungslichts wird eine Phasenverschiebung bestimmt und basierend darauf ein Messwert für die Messgröße.

Description

• Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Messtechnik und betrifft insbesondere ein Messverfahren zum Messen einer Messgröße basierend auf einem NV-Zentrum, eine Vorrichtung zum Messen einer Messgröße, einen Messkopf für die Messung einer Messgröße sowie ein System zur Detektion einer Nervenzellaktivität.
• Üblicherweise wird in der Messtechnik für eine Messgröße ein Wert von dieser, also etwa ein Messwert, basierend auf einer makroskopischen Messung erfasst. So lässt sich etwa ein Magnetfeld anhand einer Induktion eines elektrischen Stroms messen, wobei der induzierte Strom von einer Änderung des Magnetfelds abhängig ist.
• Zur optischen Messung lassen sich - je nach Messgröße - etwa konventionelle Fluoreszenzstoffe wie bei Anregung fluoreszierende Moleküle verwenden. Auch werden verschiedene Materialien verwendet, deren optische Eigenschaften von der jeweiligen Messgröße abhängen, wobei ein (Mess-) Wert einer solchen optische Eigenschaft oder eine Änderung davon optisch - etwa elektro-optisch - erfasst wird und anhand der Abhängigkeit dieser optischen Eigenschaft von der Messgröße aus dem (Mess-) Wert der optischen Eigenschaft ein Messwert der Messgröße bestimmt wird.
• Neben makroskopischen Messtechniken finden zunehmend Messtechniken basierend auf Quantensensorik Anwendung. So weisen etwa Nanodiamanten (oder allgemeiner mesoskopische Festkörperelemente) mit Stickstoff-Fehlstellen-Zentren als Farbzentren bei optischer Anregung eine hohe Helligkeit, d. h. insbesondere eine hohe Lichtemission, sowie Photostabilität, d. h. insbesondere ein geringes Ausbleichen, auf. Zudem ist ein von einem solchen Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum emittiertes Emissionslicht abhängig von einem dort wirksamen Magnetfeld sowie von weiteren Einflussfaktoren wie etwa einer Mikrowellenstrahlung, wobei die Abhängigkeiten quantenmechanisch bestimmt sind, womit sich eine hohe Messgenauigkeit und -reproduzierbarkeit - auch bei Raumtemperatur - erzielen lässt. Ausgehend von einer Magnetfeldabhängigkeit einer Fluoreszenz oder Phosphoreszenz (oder allgemeiner Lumineszenz, fortan zusammenfassend kurz als „Fluoreszenz“ bezeichnet und entsprechend Fluoreszenzstoff bzw. Fluorophor) von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren oder allgemeiner von NV-Zentren lässt sich über eine Änderung einer Intensität der Fluoreszenz ein beim NV-Zentrum wirksames Magnetfeld bestimmen.
• Es besteht Bedarf, Verfahren, Vorrichtungen und Systeme zum Messen einer Messgröße zu verbessern sowie insbesondere die Messgenauigkeit und/oder die Reproduzierbarkeit einer solchen Messung zu steigern, eine Beeinflussung durch die Messung zu reduzieren und/oder eine solche Messung verlässlicher und/oder effizienter zu machen.
• Die Erfindung erfüllt diesen Bedarf jeweils durch ein Messverfahren zum Messen einer Messgröße basierend auf einem NV-Zentrum, durch eine Vorrichtung zum Messen einer Messgröße, durch einen Messkopf für eine Messung einer Messgröße sowie durch ein System zur Detektion einer Nervenzellaktivität 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 Messverfahren zum Messen einer Messgröße basierend auf einem NV-Zentrum. Das NV-Zentrum weist mehrere Quantenzustände auf und ist mittels eines Anregungslichts abhängig von einer Besetzung eines der Quantenzustände optisch in wenigstens einen angeregten Zustand der Quantenzustände anregbar. Dabei kann der wenigstens eine angeregte Zustand zumindest unter Emission von Emissionslicht des NV-Zentrums zerfallen. Das Messverfahren weist ein Bestrahlen des NV-Zentrums mit dem Anregungslicht auf, wobei das Anregungslicht eine zeitlich periodische Modulation aufweist und wobei eine jeweilige Besetzungswahrscheinlichkeit und/oder eine jeweilige Lebensdauer der Quantenzustände von der Messgröße und dem Anregungslicht abhängt. Das Messverfahren weist weiterhin ein Bestimmen einer Phasenverschiebung zwischen dem Emissionslicht des NV-Zentrums und der Modulation des Anregungslichts auf. Außerdem weist das Messverfahren ein Bestimmen eines Messwerts für die Messgröße basierend auf der Phasenverschiebung auf.
• Im Sinne der Offenbarung ist unter einem „NV-Zentrum“ zumindest ein Farbzentrum zu verstehen, wobei das Farbzentrum abhängig von einem dort wirksamen Magnetfeld oder abhängig von einer anderen Messgröße 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 und/oder der anderen Messgröße 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.
• Ein Vorteil der Abhängigkeit der Lebensdauer und/oder der Besetzungswahrscheinlichkeit von wenigstens einigen der Quantenzustände von der Messgröße kann insbesondere darin liegen, dass es ermöglicht wird, das NV-Zentrum als einen Quantensensor zur Messung der Messgröße zu verwenden. Dabei können sich auch einige der Quantenzustände zusätzlich zur Abhängigkeit von der Messgröße oder alternativ zur Abhängigkeit von der Messgröße durch das Anregungslicht manipulieren lassen, wodurch vorteilhaft mittels des Anregungslichts der Zustand - also insbesondere die Besetzungswahrscheinlichkeiten für bestimmte Quantenzustände - sich derart beeinflussen lässt, dass die Abhängigkeit von der Messgröße erhöht wird. Ein Vorteil eines NV-Zentrums als Quantensensor kann insbesondere darin liegen, dass dessen Eigenschaften quantenmechanisch bestimmt sind, wodurch sich eine hohe Messgenauigkeit, Messreproduzierbarkeit und/oder Sensitivität erzielen lässt. Durch einen solchen Quantensensor lässt sich eine Beeinflussung der zu messenden Messgröße durch das Messverfahren bzw. durch eine entsprechende (Mess-) Vorrichtung reduzieren - etwa im Vergleich zu einer makroskopischen Messung, bei welcher etwaig ein zu untersuchendes Objekt und/oder eine bzgl. dieses Objekts zu messende Messgröße mit einem makroskopischen Sensor wechselwirkt.
• Ein Vorteil des Bestimmens der Phasenverschiebung und des darauf basierenden Messwerts kann insbesondere darin liegen, dass die Phasenverschiebung unempfindlich gegenüber (Helligkeits- / Intensitäts-) Schwankungen der Fluoreszenz - etwa aufgrund von (zufälligen) Schwankungen des Anregungslichts - ist und/oder Störungen und/oder Rauschen die Phasenverschiebung weniger beeinflussen als die Intensität der Fluoreszenz (und damit eine auf einer Bestimmung der Intensität basierenden Messung), wodurch sich vorteilhaft das Messen verlässlicher machen und/oder eine Messgenauigkeit steigern und/oder ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis und damit eine Sensitivität erhöhen lässt.
• Ein Vorteil der Modulation des Anregungslichts kann insbesondere darin liegen, dass - etwa gegenüber einem gepulsten Anregungslichts, welches zumindest im Wesentlichen entweder eine volle Intensität hat oder aus ist - zur Modulation eine (verhältnismäßig) geringere und/oder kontinuierliche Änderung des Anregungslichts ausreichend ist, wodurch sich vorteilhaft das Messverfahren einfacher durchführen und/oder eine entsprechende (Mess-) Vorrichtung einfacher ausbilden und damit verlässlicher machen lässt. Auch lässt sich mittels der Modulation eine Intensität des Anregungslichts, insbesondere eine maximale Intensität und/oder eine Änderung der Intensität, reduzieren und somit eine Beeinflussung und/oder (Mess-) Fehler - etwa aufgrund nicht-linearer Effekte - reduzieren.
• Durch das Messen basierend auf dem Anregungslicht und dem Emissionslicht - also etwa einer optischen Messung - lässt sich der Messwert ohne physischen Kontakt - etwa zwischen einer Steuerungseinrichtung, einer Lichtquelle und/oder einer Sensoreinrichtung und einem zu untersuchenden Objekt - bestimmen.
• In einigen Ausführungsformen weist ein Diamant ein Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum als das NV-Zentrum auf. In einigen Varianten davon weist ein mesoskopisches Festkörperelement den Diamant auf. Auch ist in einigen Varianten der Diamant als mesoskopisches Festkörperelement, etwa als Nanodiamant ausgebildet. In einigen weiteren Varianten ist der Diamant als makroskopisches Festkörperelement ausgebildet, etwa als makroskopischer monokristalliner oder polykristalliner Diamant, etwa als Diamantplättchen oder stabförmiger Diamant und/oder etwa mit einer Ausdehnung entlang einer Achse von wenigstens 100 Mikrometern oder etwa mit einem Gewicht von wenigstens 10 mg.
• Ein Vorteil des Stickstoff-Fehlstellen-Zentrums kann insbesondere darin liegen, dass dessen - insbesondere quantenmechanische - Eigenschaften bzgl. der Fluoreszenz - etwa, wenn es in einem (Nano-) Diamanten - ausgebildet ist- auch bei Raumtemperatur (also etwa in einem Temperaturbereich um 20°C, etwa zwischen 200 K und 500 K) stabil sind, wodurch Messungen über einen großen Temperaturbereich und/oder bei - etwa in Produktionsverfahren, im industriellen Umfeld und/oder im medizinischen Umfeld wie etwa bei der Chirurgie - üblichen Temperaturen ermöglicht werden.
• Im Sinne der Offenbarung ist unter einem „mesoskopischen Festkörperelement“ zumindest ein Objekt aus einem Festkörpermaterial zu verstehen, welches eine räumliche Ausdehnung - also etwa einen maximalen Durchmesser - unter 1 µm aufweist. Auch kann die räumliche Ausdehnung größer als etwa 1 nm sein. Ein solches mesoskopisches Festkörperelement kann eine Matrixstruktur aus Atomen oder Molekülen, also etwa ein kristalliner Festkörper sein. Bei einem NV-Zentrum von einem mesoskopischen Festkörperelement weist das mesoskopische Festkörperelement etwa wenigstens dieses NV-Zentrum auf oder bildet es aus. Dabei kann das NV-Zentrum ein Defekt in einer Matrixstruktur des mesoskopischen Festkörperelements sein. Auch kann das mesoskopische Festkörperelement weitere NV-Zentren aufweisen. Ein solches mesoskopisches Festkörperelement kann etwa ein Nanodiamant sein oder umfassen. Dabei kann ein solcher Nanodiamant als NV-Zentrum ein Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum, also etwa ein [NV]^--Zentrum oder ein [NV]⁰-Zentrum aufweisen. Auch kann ein solcher Nanodiamant als NV-Zentrum ein ST1- oder „Stuttgart 1“-Farbzentrum aufweisen. Auch kann (allgemeiner) eine mesoskopische Diamantmatrix ein solches mesoskopisches Festkörperelement sein und als NV-Zentrum ein Farbzentrum in der Diamantmatrix aufweisen. Auch kann ein solches mesoskopisches Festkörperelement etwa aus 4H-SiC hergestellt sein und etwa eine Festkörpermatrix, insbesondere ein Kristallgitter, aus 4H-SiC aufweisen. Dabei kann ein solches mesoskopisches Festkörperelement 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 (V_Si)“ (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 mesoskopischen Festkörperelements, welches das NV-Zentrum aufweist - also etwa als Defekt in einer Festkörpermatrix des mesoskopischen Festkörperelements wie etwa einer Diamantmatrix ausbildet -, kann insbesondere darin liegen, dass das NV-Zentrum eine hohe Photostabilität und/oder eine hohe Helligkeit - d. h. insbesondere eine hohe Intensität des Emissionslichts bei einer bestimmten Intensität des Anregungslichts - aufweist und/oder das mesoskopische Festkörperelement das NV-Zentrum von äußeren Einflüssen abschirmt - etwa stärker abschirmt als bei konventionellen Fluorophoren wie einzelnen fluoreszierenden Molekülen -, wodurch sich die Effizienz und/oder Verlässlichkeit steigern und ihre Anwendung vereinfachen lässt. Auch interagieren solche mesoskopischen Festkörperelemente üblicherweise weniger mit einem - etwa biologischen - Material und haben somit eine erhöhte (Bio-) Kompatibilität, wodurch sich vorteilhaft eine (ungewollte) Beeinflussung eines zu untersuchenden Materials - etwa Gewebes - reduzieren und somit die Anwendung - etwa bei der Chirurgie - vereinfachen lässt. Auch kann eine erhöhte (Bio-) Kompatibilität längere Messzeiten und damit etwa eine erhöhte Genauigkeit und/oder Verlässlichkeit ermöglichen. Auch lassen sich damit andere Anwendungen - also insbesondere nicht bei einem biologischen Material - verbessern, wobei sich etwa bestimmte (An-) Teile eines Produkts wie etwa einer chemischen Substanz oder eines Werkstücks mittels solcher NV-Zentren als Quantensensoren untersuchen - also etwa eine Materialeigenschaft durch Bestimmen einer Messgröße bzgl. der Materialeigenschaft bestimmen - lassen.
• Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer Messgröße. Die Vorrichtung weist einen Raumbereich zur Anordnung eines oder mehrerer NV-Zentren auf. Zudem weist die Vorrichtung eine Lichtquelle zum Bestrahlen des Raumbereichs mit einem Anregungslicht auf, welches eine zeitlich periodische Modulation aufweist und mittels welchem, wenn das eine oder die mehreren NV-Zentren innerhalb des Raumbereichs angeordnet sind, eines oder mehrere der NV-Zentren optisch anregbar sind. Zudem weist die Vorrichtung eine Sensoreinrichtung auf, die eingerichtet ist, ein von einem oder von mehreren der NV-Zentren emittiertes Emissionslicht zu erfassen. Weiterhin weist die Vorrichtung eine Steuerungseinrichtung auf, die eingerichtet ist, die Lichtquelle zu veranlassen, wenigstens eines der NV-Zentren mit dem zeitlich periodisch modulierten Anregungslicht zu bestrahlen, und basierend auf dem von der Sensoreinrichtung erfassten Emissionslicht eine Phasenverschiebung zwischen dem Emissionslicht und der Modulation des Anregungslichts zu bestimmen sowie basierend darauf einen Messwert für die Messgröße bei dem wenigstens einen NV-Zentrum zu bestimmen.
• Die möglichen Vorteile, Ausführungsformen oder Varianten des ersten Aspekts der Erfindung gelten entsprechend auch für die Vorrichtung zum Messen einer Messgröße. Dabei kann die Vorrichtung etwa eingerichtet sein, ein Verfahren gemäß dem ersten Aspekt Erfindung auszuführen. Eine Vorrichtung zum Messen einer Messgröße kann auch „Messvorrichtung“ genannt werden.
• Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft einen Messkopf für eine Messung einer Messgröße. Der Messkopf weist ein Gehäuse, ein NV-Zentrum, eine Lichtquelle oder ein optisches Kopplungselement sowie eine Sensoreinrichtung oder ein - etwaig weiteres - optisches Kopplungselement auf. In einigen Varianten mit Lichtquelle ist die Lichtquelle eingerichtet, das NV-Zentrum mit einem von der Lichtquelle erzeugtem Anregungslicht zu bestrahlen. Alternativ dazu ist in einigen Varianten - etwa in einigen Varianten ohne Lichtquelle für Anregungslicht - ein optisches Kopplungselement des Messkopfs, das mit einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Lichtleiter verbindbar ist, eingerichtet, das NV-Zentrum mit einem über den Lichtleiter eingestrahlten des Anregungslicht zu bestrahlen. In einigen Varianten mit Sensoreinrichtung ist die Sensoreinrichtung eingerichtet, ein von dem NV-Zentrum emittiertes Emissionslicht zu erfassen. Alternativ dazu ist in einigen Varianten - etwa in einigen Varianten ohne Sensoreinrichtung zur Erfassung des Emissionslichts - ein optisches Kopplungselement des Messkopfs eingerichtet, das von dem NV-Zentrum emittierte Emissionslicht an einen außerhalb des Gehäuses angeordneten Lichtleiter zu leiten. Außerdem sind das NV-Zentrum sowie etwaig die Sensoreinrichtung und/oder etwaig die Lichtquelle innerhalb des Gehäuses angeordnet, wobei das Gehäuse abgedichtet ist.
• Die möglichen Vorteile, Ausführungsformen oder Varianten der vorhergehenden Aspekte der Erfindung gelten entsprechend auch für den Messkopf.
• Ein Vorteil des abgedichteten Gehäuses und des darin angeordneten NV-Zentrum kann insbesondere darin liegen, dass ein Schutz des NV-Zentrums etwa vor Flüssigkeiten oder Gasen ermöglicht wird, wodurch ein Messen mit dem Messkopf sich vereinfachen und/oder verlässlicher machen lässt.
• Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft ein System zur Detektion einer Nervenzellaktivität, wobei aus der Nervenzellaktivität ein Magnetfeld in einer Umgebung der Nervenzelle resultiert. Das System weist einen Messkopf gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung auf. Weiterhin weist das System eine Lichtquelle zum Erzeugen von Anregungslicht, welches eine zeitlich periodische Modulation aufweist und mittels welchem das NV-Zentrum des Messkopfs optisch anregbar ist, eine Sensoreinrichtung, die eingerichtet ist, das von dem NV-Zentrum emittierte Emissionslicht zu erfassen, und eine Steuerungseinrichtung auf. Dabei ist die Lebensdauer und/oder die Besetzungswahrscheinlichkeit eines wenigstens einen angeregten Zustands von Quantenzuständen des NV-Zentrums durch eine Stärke und/oder Orientierung eines Magnetfelds bei dem NV-Zentrum veränderbar. Zudem ist die Steuerungseinrichtung eingerichtet, die Lichtquelle zu veranlassen, das NV-Zentrum mit dem zeitlich periodisch modulierten Anregungslicht zu bestrahlen, und basierend auf dem von der Sensoreinrichtung erfassten Emissionslicht eine Phasenverschiebung zwischen dem Emissionslicht und der Modulation des Anregungslichts zu bestimmen sowie basierend darauf einen Messwert für das Magnetfeld bei NV-Zentrum zu bestimmen und damit, wenn das NV-Zentrum in der Umgebung der Nervenzelle angeordnet ist, anhand des Magnetfelds aufgrund der Nervenzellaktivität die Nervenzellaktivität zu detektieren.
• Die möglichen Vorteile, Ausführungsformen oder Varianten der vorhergehenden Aspekte der Erfindung gelten entsprechend auch für das System. Dabei kann das System etwa eingerichtet sein, ein Verfahren gemäß dem ersten Aspekt Erfindung auszuführen.
• In einigen Varianten kann das System vorteilhaft in der Chirurgie - etwa in der Neurochirurgie - verwendet werden und entsprechend für eine derartige Verwendung eingerichtet sein. Ein Vorteil der synergistischen Kombination des NV-Zentrums und des Bestimmens des Messwertes - also etwa des Magnetfelds und damit der Nervenzellaktivität - basierend auf dem Bestimmen der Phasenverschiebung kann insbesondere darin liegen, dass sich eine hohe Sensitivität für eine etwaige Nervenzellaktivität erzielen lässt, wodurch insbesondere aktive Nervenzellen bestimmt werden können und sich eine Verletzung aktiver Nervenzellen - etwa aufgrund eines Schnitts, etwa mittels eines Skalpells - vermeiden oder zumindest reduzieren lassen.
• 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 eine Messvorrichtung nach einer Ausführungsform;
• 4 ein Flussdiagramm eines Messverfahrens nach einer Ausführungsform; und
• 5 ein System zur Detektion einer Nervenaktivität mit einem Messkopf 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 Gesamtspin 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 Gesamtspin +1 (m_s=+1) oder -1 (m_s=-1) bzw. einen Gesamtspin 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 ein Emittieren von Emissionslicht durch ein NV-Zentrum 140 entsprechend 1 und/oder bzgl. Energieniveaus entsprechend 2 sowie eine Abhängigkeit eine Intensität des Emissionslichts von einer resonanten Mikrowellenabsorption und etwaig eine Magnetfeld beim NV-Zentrum 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 Gesamtspin 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 56 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-strahlenden Übergängen bleibt der Gesamtspin 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 le> 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. Auch ist die Lebensdauer der angeregten Zustände mit m_s=+1 oder m_s=-1 kürzer als die Lebensdauer des angeregten Zustands |e> mit Gesamtspin m_s=0. 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 Offenbarung 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 bei einem NV-Zentrum, bei welchem das Mehrelektronensystem einen Gesamtspin ms mit einer ersten Spinquantenzahl m_s=0, einer zweiten Spinquantenzahl m_s=+1 und einer dritten Spinquantenzahl m_s=-1 aufweist - wie etwa dem [NV]^--Zentrum -, 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 m_s=+1, also tritt etwa die Elektronenspinresonanz für m_s=+1 bei wenigstens einer Resonanzfrequenz und die Elektronenspinresonanz für m_s=-1 bei einer weiteren Resonanzfrequenz auf.
• 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 56, und/oder die Lebensdauer des angeregten Triplettzustands |e> - etwa aufgrund der höheren Besetzungswahrscheinlichkeit für angeregte Zustände mit m_s=±1, die eine kürzere Lebensdauer haben als der angeregte Triplettzustand mit m_s=0 - abnimmt. Durch ein externes Magnetfeld 80, welches am NV-Zentrum 140 wirkt, wird die für die Elektronenspinresonanz erforderliche Frequenz jeweils verschoben, wodurch die Wahrscheinlichkeit für die Zustände mit m_s=±1 weniger oder nicht mehr erhöht wird bei Bestrahlung mit Mikrowellenstrahlung mit einer Frequenz von etwa 2870 MHz und somit die Lebensdauer für den angeregten Triplettzustand nicht abnimmt bzw. wieder zunimmt sowie eine verkürzte Lebensdauer bei der wenigstens einen Resonanzfrequenz und der weiteren Resonanzfrequenz auftritt.
• Die Lebensdauer des angeregten Triplett-Zustands |e> ist beim NV-Zentrum mit Mehrelektronensystem mit einem Gesamtspin mit wenigstens zwei Spinquantenzahlen also zumindest abhängig von der bestimmten Maßnahme zur Erhöhung der Besetzungswahrscheinlichkeit für Zustände mit einer Spinquantenzahl m_s=±1 - also etwa der Frequenz und der Feldstärke der eingestrahlten Mikrowellenstrahlung -, dem Anregungslicht - etwa aufgrund der Spinpolarisation - sowie von dem beim NV-Zentrum wirksamen (externen) Magnetfeld.
• Auch kann die Lebensdauer wenigstens eines der angeregten Zustände des NV-Zentrums von weiteren Größen wie etwa einer Materialspannung in einem (etwa mesoskopischen) Festkörperelement, welches das NV-Zentrum aufweist, oder einem beim NV-Zentrum wirksamen elektrischen Feld abhängen, welche sich somit als Messgrößen über das NV-Zentrum als Quantensensor - d.h. insbesondere anhand der davon abhängigen Lebensdauer von |e> - messen lassen. Außerdem können bestimmte Größen wie etwa eine lokale Zustandsdichte in einer Umgebung des NV-Zentrums oder ein Magnetfeld - etwa ein hinreichend starkes Magnetfeld, etwa mit wenigstens 10 mT, und/oder mit einer Orientierung, welche derart von der Achse 148 abweicht, dass diese Achse 148 keine guten Quantenzahlen für den Gesamtspin mehr liefert, der Gesamtspin bzgl. dieser Achse also etwa keine Eigenzustände mehr darstellt - die Besetzungswahrscheinlichkeiten für die Zustände mit m_s=-1, 0, oder +1 verändern (die Zustände etwa mischen), sodass die Lebensdauer des angeregten Zustands auch von derartigen Größen abhängt und diese als Messgrößen über die Lebensdauer bestimmbar sind.
• Bei einem [NV]^--Zentrum liegt die Lebensdauer des angeregten Zustands |e> (abhängig vom Gesamtspin) typischerweise im Bereich um 10 ns bis zu einigen ms.
• 3 zeigt schematisch eine Messvorrichtung 200 zum Messen einer Messgröße nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• Außerdem ist in 3 ein anhand einer Messung zu untersuchender Materialabschnitt 20 dargestellt, welcher nicht notwendigerweise zur Vorrichtung 200 gehört. Für ein Ausführungsbeispiel kann der Materialabschnitt 20 ein metallisches Werkstück sein, etwa aus einem 3D-Druck-Verfahren, einem Stanzverfahren oder einem Gießverfahren.
• In einem Ausführungsbeispiel weist die Messvorrichtung 200 eine Sensoreinrichtung 250 mit einer daran angeordneten Spulenanordnung 280 und mit einem innerhalb der Spulenanordnung 280 oder zumindest bei einer Seite für ein zu erfassendes Emissionslicht sowie innerhalb eines Raumbereichs 204 angeordnetes Diamantplättchen 104, wobei das Diamantplättchen 104 mehrere NV-Zentren 140 aufweist (der Übersichtlichkeit halber ist nur ein NV-Zentrum dargestellt).
• In einigen Varianten sind die NV-Zentren - wie für die folgende Beschreibung angenommen - jeweils [NV] ^--Zentren. Auch weist in einigen Varianten die Sensoreinrichtung 250 einen Bildsensor auf, wobei die Sensoreinrichtung 250 eingerichtet ist, das Emissionslicht der NV-Zentren 140 bildgebend und mit einer Zeitauflösung zu erfassen.
• Im Ausführungsbeispiel weist die Messvorrichtung 200 weiterhin eine Lichtquelle 240, etwa eine Laservorrichtung 240 auf, welche eingerichtet ist, ein kontinuierliches Anregungslicht zu erzeugen, mittels welchem die NV-Zentren 140 optisch anregbar sind und daraufhin das Emissionslicht - etwa magnetfeldabhängig - emittieren. Zudem weist die Messvorrichtung 200 einen Elektro-Optischen-Modulator 246 auf, wobei ein Strahlengang von der Laservorrichtung 250 zu den NV-Zentren 140 durch den Elektro-Optischen-Modulator 246 geht.
• Im Ausführungsbeispiel weist die Messvorrichtung 200 weiterhin einen Lock-in-Verstärker 216 und eine Steuerungseinrichtung 210 auf. Die Steuerungseinrichtung 210 ist eingerichtet, die Lichtquelle 240 zu veranlassen, kontinuierlich das Anregungslicht zu erzeugen. Weiterhin ist die Steuerungseinrichtung 210 eingerichtet, ein Modulationssignal zu erzeugen und damit den Elektro-Optischen-Modulator 246 anzusteuern, wobei dieser eingerichtet, abhängig vom Modulationssignal eine Intensität des Anregungslichts zu modulieren. So kann etwa das Modulationssignal einen Sinusverlauf oder einen Chirp-Verlauf oder einen Rechteck- oder Sägezahn-Verlauf aufweisen und entsprechend die Intensität des Anregungslichts nach Durchgang durch den Elektro-Optischen-Modulator 246 auch einen Sinusverlauf, Chirp-Verlauf etc. aufweisen. Dabei besteht in einigen Varianten das Modulationssignal aus einer oder mehreren Frequenzen im Bereich zwischen 10 kHz und 100 MHz, wobei etwa ein Rechteckverlauf oder ein Sägezahnverlauf eine Überlagerung mehrerer Sinusverläufe verschiedener Frequenzen ist. Dabei ist der Bereich der Frequenzen - also etwa der Frequenzbereich - so gewählt, dass die Frequenzen der Modulation niedriger und damit die jeweilige Periodendauer größer, insbesondere wenigstens um wenigstens um einen Faktor 10 größer als die Lebensdauer des angeregten Zustands der NV-Zentren - also etwa größer als 10 ns - ist. Zudem ist die Zeitauflösung beim Erfassen durch die Sensoreinrichtung 250 wenigstens um einem Faktor 5 höher als die jeweiligen Periodendauern.
• Weiterhin ist die Steuerungseinrichtung 210 eingerichtet, mittels des Lock-in-Verstärkers 216 eine Phasenverschiebung zwischen der Modulation des Anregungslichts und dem Emissionslicht zu bestimmen. In einigen Varianten ist die Steuerungseinrichtung 210 dazu eingerichtet, mittels des Lock-in-Verstärkers 216 die Sensoreinrichtung 250 derart anzusteuern, dass diese für eine bestimmte Phasenverschiebung sensitiv ist. Zudem ist die Steuerungseinrichtung 210 eingerichtet, basierend auf der Phasenverschiebung - etwaig bildgebend für die jeweiligen Positionen der NV-Zentren 140 - einen Messwert der Messgröße - also etwa eines jeweiligen Magnetfelds bei dem jeweiligen NV-Zentrum 140 - zu bestimmen. So kann etwa ein hinreichend starkes Magnetfeld die Lebensdauer des angeregten Triplett-Zustands beim [NV]^{- -}-Zentrum reduzieren und damit die Phasenverschiebung reduzieren.
• In einigen alternativen Variante weist die Messvorrichtung 200 anstelle des Diamantplättchens einen Nanodiamanten 104 mit einem NV-Zentrum 140 auf. Dabei kann der Nanodiamant 104 derartig innerhalb eines Materials - etwa einer Flüssigkeit - oder derartig nahe an einem Material - etwa dem Materialabschnitt 20 - angeordnet werden, dass das NV-Zentrum 140 mit einer lokalen Zustandsdichte im Material wechselwirkt und die Besetzungswahrscheinlichkeiten und/oder Lebensdauern verändern. So kann etwa in einigen Varianten eine Oberfläche des Nanodiamanten mit einem Farbstoff funktionalisiert sein, dessen Farbe - also etwa ein von ihm absorbierter Wellenlängenbereich - von seiner chemischen Umgebung abhängt. Hierbei kann die Lebensdauer wenigstes eines angeregten Zustands des NV-Zentrum über einen Förster-Resonanzenergietransfer verkürzt und entsprechend die Phasenverschiebung reduziert werden, wenn eine Wellenlänge des Emissionslicht im durch den Farbstoff absorbierten Wellenlängenbereich liegt.
• Während einige Ausführungsbeispiele etwa bezüglich [NV]^--Zentren und deren Eigenschaften - etwa einer vom Gesamtspin abhängigen Lebensdauer des angeregten Triplett-Zustands - beschrieben werden, lassen sich auch andere Farbzentren als NV-Zentren verwenden, sofern diese wenigstens einen optisch anregbaren Zustand aufweisen, welcher - etwaig neben anderen Zerfallswegen - unter Emission von Emissionslicht zerfällt, wobei die Lebensdauer dieses wenigstens einen angeregten Zustands oder dessen Anregbarkeit - d.h. dessen Besetzungswahrscheinlichkeit bei Bestrahlung mit Anregungslicht - von einer jeweils zu bestimmenden Messgröße abhängt. So kann etwa eine Phasenverschiebung zwischen dem Anregungslicht und dem Emissionslicht auch aus einer höheren Lebensdauer eines Grundzustands - auch bei Anregung durch Anregungslicht - resultieren.
• Im Ausführungsbeispiel ist die Steuerungseinrichtung 210 außerdem eingerichtet, mittels der Spulenanordnung 280 ein Magnetfeld zur Erzeugung von Wirbelströmen im Materialabschnitt 20 zu erzeugen. Dabei kann die Spulenanordnung 280 eingerichtet sein, das Magnetfeld derartig zu erzeugen, dass die Wirbelströme zumindest im Wesentlichen in verschiedenen, über eine Ansteuerung der Steuerungseinrichtung 210 variierbaren Materialtiefen auftreten. Dabei können die erzeugten Wirbelströme und daraus resultierenden Magnetfelder - welche als Messgröße bestimmt werden - Rückschlüsse über eine Güte des Materialabschnitts 20 ermöglichen. So würde etwa ein Riss im Materialabschnitt die erzeugten Wirbelströme reduzieren.
• In einigen Varianten des Ausführungsbeispiels weist die Messvorrichtung 200 eine Aktuatoreinrichtung 220 auf, welche derart mit dem Materialabschnitt 20 verbindbar ist, dass die Aktuatoreinrichtung 220 eine Pose des Materialabschnitts 20 verändern und/oder den Materialabschnitt 20 entlang der Sensoreinrichtung 250 und den NV-Zentren 140 bewegen kann. Dabei kann die Steuerungseinrichtung 210 eingerichtet sein, den Materialabschnitt 20 mittels der Aktuatoreinrichtung 220 zu bewegen und verschiedene Bereiche des Materialabschnitts 20 bei der Sensoreinrichtung 250 und/oder den NV-Zentren 140 anzuordnen und die Messgröße - also etwa ein Magnetfeld - beim jeweiligen Bereich des Materialabschnitts 20 zu bestimmen.
• 4 zeigt ein Flussdiagram eines Messverfahrens 400 zum Messen einer Messgröße basierend auf einem NV-Zentrum; das Messverfahren 400 nach einer Ausführungsform der Erfindung.
• In einem Ausführungsbeispiel basiert das Messverfahren auf einem als Quantensensor verwendeten [NV]^--Zentrum, wobei insbesondere ein bei diesem NV-Zentrum wirkendes (externes) Magnetfeld oder zumindest dessen Feldstärke als Messgröße bestimmt wird.
• In einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 400 die Verfahrensschritte 430, 432, 440, 442, 450, 460, 464, 466 und 470 sowie die Verfahrensbedingungen 410 und 412 auf. Das Verfahren 400 beginnt beim Verfahrensstart 402 und endet beim Verfahrensende 404.
• Im Verfahrensschritt 430 wird das [NV]^--Zentrum mit einer Mikrowellenstrahlung bestrahlt.
• Dabei wird iterativ im Verfahrensschritt 432 (als Teil des Verfahrensschritts 430) eine bestimmte Frequenz aus einem vorbestimmten Frequenzbereich - etwa für das [NV]^--Zentrum von 2,5 GHz bis 3,2 GHz - ausgewählt und eine Mikrowellenstrahlung mit dieser jeweils ausgewählten Frequenz erzeugt und auf das [NV]^--Zentrum gestrahlt.
• Bei der jeweiligen Frequenz der Mikrowellenstrahlung wird im Verfahrensschritt 440 das [NV]^--Zentrum mit einem Anregungslicht bestrahlt.
• Dabei wird iterativ im Verfahrensschritt 442 (als Teil des Verfahrensschritts 440) das Anregungslicht - etwa mit einer Lichtquelle wie der Lichtquelle 240 bzgl. 3 - erzeugt, wobei für die Intensität des Anregungslichts ein Wert entsprechend eines Sinusverlaufs ausgewählt wird. Dabei wird in einigen Varianten das Anregungslicht zunächst mit einer zumindest im Wesentlichen gleichbleibenden Intensität erzeugt und dieses dann entsprechend dem jeweils ausgewählten Wert für die Intensität abgeschwächt - etwa mittels eines Akusto-Optischen-Modulators oder mittels eines Elektro-Optischen-Modulators wie etwa dem Elektro-Optischen-Modulator 246 bzgl. 3. Alternativ oder zusätzlich wird das Anregungslicht bereits mit einer dem jeweils ausgewähltem Wert entsprechenden Intensität - etwa mittels einer Laserdiode, deren Versorgung mit elektrischer Energie entsprechend moduliert wird - erzeugt.
• Zudem wird eine Intensität des Emissionslichts des NV-Zentrums im Verfahrensschritt 450 zeitabhängig erfasst, wobei eine Zeitauflösung des zeitabhängigen Erfassens höher als eine Periodendauer des Sinusverlaufs ist. So werden etwa für jeden ausgewählten Wert für die Intensität des Anregungslichts mehrere Intensitäten des Emissionslichts in einem Zeitverlauf erfasst, etwa um eine Auflösung einer Änderung der Intensität des Emissionslichts bei einer Änderung der Intensität der Anregungslichts von einem zuvor ausgewählten zu einem in einer aktuellen Iteration ausgewählten Wert zu ermöglichen.
• Bei der Verfahrensbedingung 410 wird überprüft, ob noch weitere Werte für die Intensität des Anregungslichts (in weiteren Iterationen) auszuwählen sind (für die jeweilige Frequenz der Mikrowellenstrahlung). So kann der Sinusverlauf etwa über einen zeitlichen Verlauf einer Vielzahl an diskreten Werten - etwa sog. „Samples“ - modelliert werden und der Sinusverlauf über mehrere Periodendauern wiederholt werden. Für einen Sinusverlauf mit einer Frequenz von 10 MHz und entsprechend einer Periodendauer von 1/(10 MHz) = 100 ns könnte jede Periodendauer durch 10 zeitdiskrete Werte von je 10 ns Länge beschrieben werden. Auch könnte der Sinusverlauf für 100 Perioden und damit über eine Gesamtzeit von 100 us wiederholt werden, etwa um eine hohe Genauigkeit bei einer Bestimmung einer Phasenverschiebung zu ermöglichen. Falls noch weitere Werte auszuwählen sind - symbolisiert durch <y> - wird das Verfahren 400 bei Verfahrensschritt 442 fortgesetzt und ein weiterer, zeitlich folgender Wert ausgewählt. Andernfalls - symbolisiert durch <n> - wird das Verfahren 400 bei Verfahrensschritt 460 fortgesetzt.
• Im Verfahrensschritt 460 wird für die jeweilige Mikrowellenfrequenz (also für die jeweilige Frequenz der Mikrowellenstrahlung) eine Phasenverschiebung zwischen der Intensität des Anregungslichts und der zeitabhängig erfassten Intensität des Emissionslichts bestimmt.
• Das [NV]^--Zentrum weist dabei, wie oben ausgeführt, ein Mehrelektronensystem mit einem Triplett-Grundzustand |g> und einem angeregten Triplett-Zustand |e> auf, welche für einen Gesamtspin ms jeweils die Spinquantenzahlen -1, 0 und +1 aufweisen können, wobei jeweils einer der Quantenzustände des Triplett-Grundzustands spinerhaltend optisch - etwa mittels Anregungslichts mit einer Wellenlänge von 515 nm - zu einem Quantenzustand des angeregten Triplett-Zustands mit gleichem Gesamtspin angeregt werden kann. Zudem ist die Lebensdauer des Zustands |e> mit ms=0 als ein wenigstens ein angeregter Zustand mit einer ersten Spinquantenzahl (nämlich 0) höher als die Lebensdauer des Zustands |e> mit m_s=+1 als ein zweiter angeregter Zustand mit einer zweiten Spinquantenzahl (nämlich +1) sowie höher als die Lebensdauer des Zustands |e> mit ms=-1 als ein dritter angeregter Zustand mit einer dritten Spinquantenzahl (nämlich -1). Hierbei hängt die Besetzungswahrscheinlichkeit für alle drei angeregte Zustände des angeregten Triplett-Zustands |e> vom Anregungslicht aufgrund der optischen Anregbarkeit ab. Zudem hängt das Verhältnis der Besetzungswahrscheinlichkeiten für die Quantenzustände des Triplett-Grundzustands |g> und des angeregten Triplett-Zustands |e> mit unterschiedlichem Gesamtspin aufgrund der Spinpolarisation vom Anregungslicht und der Dauer sowie Intensität des Anregungslichts ab, wobei eine höhere Intensität und/oder längere Dauer des Anregungslichts die Besetzungswahrscheinlichkeit für die Zustände von |g> und |e> mit der ersten Spinquantenzahl, also ms=0 gegenüber Zuständen mit der zweiten oder dritten Spinquantenzahl, also m_s=+1 bzw. ms=-1 erhöht. Demgegenüber bewirkt ein hinreichend starkes Magnetfeld oder die Mikrowellenstrahlung bei einer jeweiligen resonanten Mikrowellenabsorption, welche vom jeweils beim NV-Zentrum wirksamen Magnetfeld abhängt, eine Erhöhung der Besetzungswahrscheinlichkeiten für |g> mit m_s=+1 bzw. ms=-1 und entsprechend nach optischer Anregung für |e> mit m_s=+1 bzw. ms=-1. Nachdem ein hinreichend starkes Magnetfeld oder eine resonante Mikrowellenabsorption die Besetzungswahrscheinlichkeiten für angeregte Zustände mit einem Gesamtspin gleich der zweiten oder dritten Spinquantenzahl erhöht und diese eine kürzere Lebensdauer aufweisen, verkürzt sich entsprechend eine Gesamtlebensdauer für den angeregten Triplett-Zustand, wodurch die Phasenverschiebung zwischen dem Anregungslicht und dem Emissionslicht reduziert wird. Somit lässt sich der Gesamtspin des Mehrelektronensystems anhand der Bestimmung der Phasenverschiebung auslesen, wobei der Gesamtspin und die Phasenverschiebung etwa von einem beim NV-Zentrum wirksamen Magnetfeld und einer etwaig auftretenden resonanten Mikrowellenabsorption abhängig ist.
• Bei der Verfahrensbedingung 412 wird überprüft, ob noch eine weitere Mikrowellenfrequenz im vorbestimmten Frequenzbereich auszuwählen ist. Falls dies der Fall ist - symbolisiert durch <y> - wird das Verfahren 400 bei Verfahrensschritt 432 fortgesetzt und die weitere Mikrowellenfrequenz ausgewählt. Andernfalls - symbolisiert durch <n> - wird das Messverfahren 400 bei Verfahrensschritt 464 fortgesetzt. So kann in einigen Varianten der vorbestimmte Frequenzbereich etwa in 200 - etwaig gleich breite - Teilbereiche unterteilt sein und für jeden dieser Teilbereiche eine entsprechende in dem jeweiligen Bereich liegende Mikrowellenfrequenz ausgewählt werden. Bei Varianten, bei welchen für jede Mikrowellenfrequenz das Anregungslicht zeitlich moduliert und das Emissionslicht über eine Gesamtzeit von 100 us erfasst wird, dauert demnach ein Variieren der Mikrowellenstrahlung über den vorbestimmten Frequenzbereich 20 ms, womit sich eine Frequenzauflösung bzgl. einer Änderung der Phasenverschiebung von etwa 25 Hz erzielen lässt. Bei Nervenzellen liegt eine maximale Rate an Aktionspotentialen - etwa bei Tetanus - typischerweise im Bereich von 120 Hz; dennoch ist eine Frequenzauflösung von 25 Hz ausreichend, um eine Nervenzellaktivität zu detektieren. Für Anwendungen bei denen eine höhere Frequenzauflösung erforderlich ist, können der vorbestimmte Frequenzbereich verkleinert, der vorbestimmte Frequenzbereich gröber unterteilt und/oder die Gesamtzeit für die Erzeugung von Anregungslicht/das zeitabhängige Erfassen von Emissionslicht verkürzt werden. Auch kann die Frequenz des Sinusverlaufs erhöht werden.
• In den Verfahrensschritten 464 und 466 wird wenigstens eine Resonanzfrequenz, bei welcher eine resonante Mikrowellenabsorption auftritt, und eine weitere Resonanzfrequenz, bei welcher eine resonante Mikrowellenabsorption auftritt, basierend auf einer Änderung der Phasenverschiebung, welche für jede der Mikrowellenfrequenzen bestimmt wurde, bestimmt. In einigen Varianten wird dabei im Verfahrensschritt 464 die wenigstens eine Resonanzfrequenz als jene Frequenz der ausgewählten Mikrowellenfrequenzen bestimmt, bei welcher die Phasenverschiebung unterhalb von 2,87 GHz minimal wird. Entsprechend wird in einigen Varianten dabei im Verfahrensschritt 466 die weitere Resonanzfrequenz als jene Frequenz der ausgewählten Mikrowellenfrequenzen bestimmt, bei welcher die Phasenverschiebung oberhalb von 2,87 GHz minimal wird.
• Im Verfahrensschritt 470 wird das beim NV-Zentrum wirkende (externe) Magnetfeld oder zumindest eine Magnetfeldstärke bzgl. einer Raumrichtung wie etwa der Achse 148 basierend auf einem Frequenzunterschied zwischen der wenigstens einen und der weiteren Resonanzfrequenz bestimmt (und damit also basierend auf der Phasenverschiebung).
• In einigen alternativen Varianten werden das Magnetfeld oder seine Stärke sowie etwaig die wenigstens eine und die weitere Resonanzfrequenz mittels eines numerischen Fits eines Modells, welches die resonante Mikrowellenresonanz und die Phasenverschiebung in Abhängigkeit von einem (externen) beim NV-Zentrum wirkenden Magnetfeld und der Frequenz der eingestrahlten Mikrowellenstrahlung beschreibt, bestimmt, wobei die Verfahrensschritte 464, 466 und 470 zu einem einzigen Verfahrensschritt 470 zusammengefasst werden können.
• Auch wird in einigen Varianten das Magnetfeld oder seine Stärke zudem basierend auf Kalibrierungsdaten bestimmt. So kann in einigen Varianten das Messverfahren 400 mittels einer Variante der Messvorrichtung 200, welche zusätzlich eine Mikrowellenantennenanordnung 130 zum Bestrahlen des NV-Zentrums mit der Mikrowellenstrahlung aufweist, ausgeführt werden, wobei in einem weiteren Verfahrensschritt mittels der Spulenanordnung 280 eine oder mehrere (Vor-) Magnetisierungen zur Kalibrierung erzeugt werden, das Verfahren 400 jeweils ausgeführt und so die Kalibrierungsdaten bestimmt werden.
• In 5 ist ein System 300 zur Detektion einer Nervenzellaktivität mit einem Messkopf 100 dargestellt; das System 300 und der Messkopf 100 je nach einer Ausführungsform der Erfindung.
• In einem Ausführungsbeispiel weist das System 300 eine Steuerungseinrichtung 210, eine Mischereinrichtung 212, einen Bandpassfilter 214, eine Laserdiode 340 als Lichtquelle für Anregungslicht, eine Photodiode 250 als Sensoreinrichtung für Emissionslicht, eine Strahlungsteilereinrichtung 254 und - in einigen Varianten - einen Lichtleiter 390 sowie - in einigen Varianten - den Messkopf 100 auf. Alternativ kann in einigen Varianten das System 300 den Messkopf 100 und/oder den Lichtleiter 390 nicht aufweisen, wobei der Messkopf 100 - etwa über einen Lichtleiter - an das System 300 koppelbar ist.
• Der Strahlungsteiler 254 ist eingerichtet, einen Strahlengang bzgl. des Anregungslichts 46 und des Emissionslichts 56 derart aufzuteilen, dass das von der Laserdiode 340 erzeugte Anregungslicht 46 in den Lichtleiter 390 eingekoppelt wird und umgekehrt ein vom Lichtleiter 390 kommendes Emissionslicht 56 - also etwa Licht mit einer Wellenlänge im Bereich um 637 nm - zur Photodiode 250 geleitet wird, während ein vom Lichtleiter 390 kommendes Licht zumindest bzgl. eines Spektralbereichs, welcher dem des Anregungslichts 46 entspricht - also etwa im Bereich um 515 nm liegt-, nicht zur Photodiode 250 geleitet wird. In einigen Varianten ist die Strahlungsteilereinrichtung 254 als dichroitischer Spiegel ausgebildet.
• In einem Ausführungsbeispiel weist der Messkopf 100 ein Gehäuse 190, einen Nanodiamanten oder Diamanten, etwa makroskopischen Diamanten, 104 mit einem NV-Zentrum 140 oder mit mehreren NV-Zentren - etwa (je) einem [NV]^--Zentrum -, eine Mikrowellenantennenanordnung 130 und ein optisches Kopplungselement 194 auf. In einigen Varianten weist der Messkopf 100 mehrere Nanodiamanten je mit mindestens einem NV-Zentrum auf. In einigen weiteren Varianten weist der Messkopf 100 einen makroskopischen Diamanten, etwa ein Diamantplättchen, mit mehreren NV-Zentren auf. Der (Nano-) Diamant 104 und die Mikrowellenantennenanordnung 130 sind innerhalb des Gehäuses 190 angeordnet und das optische Kopplungselement 194 ist bei einer Öffnung des Gehäuses 190 angeordnet, wobei das Gehäuse in Zusammenwirkung mit dem Kopplungselement 194 derart abgedichtet ist, dass keine Flüssigkeiten, biologische Zellen oder andere Materialien wie etwa biologisches Gewebe etc. in das Gehäuse und/oder aus dem Gehäuse 190 gelangen können, womit sich einerseits Störungen aufgrund von in den Messkopf eindringenden Stoffen beim Betreiben des Messkopfs 100 vermeiden und andererseits Infektionsgefahren durch den Messkopf 100 - etwa bei der Verwendung zur Detektion von Nervenzellaktivitäten - reduzieren lassen.
• Das optische Kopplungselement 194 ist mit dem Lichtleiter 390 mechanisch verbindbar und ist eingerichtet, mit dem von der Laserdiode 340 erzeugten und durch den Lichtleiter 390 geleiteten Anregungslicht 46 das NV-Zentrum 140 zu bestrahlen sowie das vom NV-Zentrum emittierte Emissionslicht 56 zu dem Lichtleiter 390 zu leiten. In einigen Varianten weist der Lichtleiter 390 einen elektrischen Leiter für ein Mikrowellensignal auf und das Kopplungselement 194 ist weiterhin eingerichtet, den elektrischen Leiter mit der Mikrowellenantennenanordnung 130 derart elektrisch zu verbinden, dass über den elektrischen Leiter die Mikrowellenantennenanordnung 130 mit dem Mikrowellensignal gespeist werden kann. Dabei ist die Mikrowellenantennenanordnung 130 bei Speisung mit einem Mikrowellensignal eingerichtet, eine Mikrowellenstrahlung auszustrahlen und mit dieser das NV-Zentrum 140 zu bestrahlen. Zudem ist die Steuerungseinrichtung 210 eingerichtet, das Mikrowellensignal zu erzeugen. Ein Vorteil des Lichtleiters 390 und/oder der optischen Kopplungselements 194 kann insbesondere darin liegen, dass das Anregungslicht 46 außerhalb des Messkopfs 100 erzeugt und das Emissionslicht 56 außerhalb des Messkopfs 100 erfasst werden kann, wodurch sich dessen Aufbau vereinfachen und dessen Größe reduzieren lässt. Ein Vorteil davon, dass das optische Kopplungselement 194 und der Lichtleiter 390 zugleich für das Anregungslicht als auch für das Emissionslicht eingerichtet sind, kann insbesondere darin liegen, dass nur ein Lichtleiter benötigt und eine höhere Flexibilität (ggü. zwei separaten Lichtleitern je für das Anregungslicht und das Emissionslicht) ermöglicht wird, wodurch sich etwa die Handhabung bei der Neurochirurgie vereinfachen lässt. In einigen Abwandlungen weist der Messkopf die Laserdiode 340 und die Photodiode 250 sowie anstelle des optischen Kopplungselements ein elektrisches Kopplungselement auf. Dabei ist der Messkopf anstelle des Lichtleiters mit einem elektrischen Kabel mit dem (übrigen) System 300 verbunden. Ein Vorteil des elektrischen Kabels ggü. dem Lichtleiter kann insbesondere darin liegen, dass das elektrische Kabel üblicherweise flexibler und/oder unempfindlicher bei Stößen oder Knicken ist, wodurch sich etwa die Handhabung in der Neurochirurgie erleichtern lässt.
• In einigen Varianten hat der Messkopf 100 ein Volumen, das kleiner als 10 mm³ ist, oder kleiner als 5 mm³ ist, oder kleiner als 2 mm³ ist.
• In einigen Varianten ist der Messkopf 100 zur Befestigung an einem Skalpell ausgebildet. Alternativ weist der Messkopf in einigen Varianten ein Skalpell auf, dabei kann in einigen Varianten davon das NV-Zentrum in einer Klinge des Skalpells integriert sein.
• In einigen Varianten ist der Messkopf 100 zur Befestigung an einer Kanüle ausgebildet. Alternativ weist der Messkopf in einigen Varianten eine Kanüle auf, dabei kann in einigen Varianten davon das NV-Zentrum an einer Öffnung einer Kanüle integriert sein.
• In einigen Varianten ist das Gehäuse 190 innen derart verspiegelt, dass das vom NV-Zentrum 140 emittierte Emissionslicht 56 nahezu vollständig oder zumindest zu mehr als 50% zum optischen Kopplungselement 194 und darüber in den Lichtleiter 390 gelangt und zur Photodiode 250 geführt wird.
• Die Steuerungseinrichtung 210 ist eingerichtet, die Laserdiode 340 zu veranlassen, das NV-Zentrum 140 mit dem zeitlich periodisch modulierten Anregungslicht zu bestrahlen, und basierend auf dem von der Photodiode 250 erfassten Emissionslicht eine Phasenverschiebung zwischen dem Emissionslicht 56 und der Modulation des Anregungslichts 46 zu bestimmen sowie basierend darauf einen Messwert für das Magnetfeld bei NV-Zentrum zu bestimmen und damit, wenn das NV-Zentrum 140 in einer Umgebung einer Nervenzelle angeordnet ist, anhand des Magnetfelds eine Nervenzellaktivität der Nervenzelle zu detektieren. Dabei ist die Steuerungseinrichtung 210 eingerichtet, die Laserdiode 340 mit einer entsprechend zeitlich periodisch modulierten elektrischen Energie - etwa einem elektrischen Strom mit einer zeitlich periodischen Modulation - zu versorgen. Weiterhin ist die Steuerungseinrichtung 210 eingerichtet, mittels der Mischereinrichtung 212 ein von der Photodiode 250 bestimmtes Sensorsignal, welches das Emissionslicht 56 charakterisiert, mit einer Mischfrequenz, welche abhängig von einem Homodyn- oder Heterodyn-Betrieb zumindest im Wesentlichen gleich einer Frequenz der Modulation des Anregungslichts oder wenigstens einen Faktor 10 kleiner gewählt sein kann, zu mischen und so eine Überlagerung der Frequenzen des Sensorsignals mit der Mischfrequenz zu erzeugen. Zudem ist die Steuerungseinrichtung 210 eingerichtet, mittels des Bandpassfilters 214 diese so erzeugte Überlagerung zu filtern und etwaig mit einem Analog-Digital-Wandler zu digitalisieren. Durch die Mischereinrichtung 212 und den Bandpassfilter lässt sich vorteilhaft ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis erhöhen. Durch die Mikrowellenstrahlung und durch ein Variieren der Mikrowellenfrequenz lässt sich über eine auftretende resonante Mikrowellenabsorption eine Sensitivität - auch für schwächere Magnetfelder wie etwaig unter 10 mT - erhöhen und etwaig eine Sensitivität von 1 pT/(Hz^1/2) erzielen.
• In einigen Varianten ist das System 300 eingerichtet, gesteuert mittels der Steuerungseinrichtung 210 eine Variante des Messverfahrens 400 bzgl. 4 auszuführen. Umgekehrt werden einige Varianten des Messverfahrens 400 mit einer Variante des Systems 300 ausgeführt, wobei etwa das Anregungslicht 46 mittels der Laserdiode 340 erzeugt, das Emissionslicht 56 mittels der Photodiode 250 erfasst und/oder die Mikrowellenstrahlung mittels der Mikrowellenantennenanordnung 130 auf das NV-Zentrum 140 gestrahlt wird.
• 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 (V_Si)“ 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 weist das NV-Zentrum ein Mehrelektronensystem mit einem Gesamtspin auf, wobei die Quantenzustände des NV-Zentrums mehrere Quantenzustände des Mehrelektronensystems umfassen. Der Gesamtspin des Mehrelektronensystems hat im wenigstens einen angeregten Zustand eine erste Spinquantenzahl und der Gesamtspin in einem zweiten angeregten Zustand des Mehrelektronensystems hat eine zweite Spinquantenzahl hat. Der zweite angeregte Zustand zerfällt entsprechend seiner Lebensdauer unter Emission des Emissionslichts, wobei sich dessen Lebensdauer von der Lebensdauer des wenigstens einen angeregten Zustands unterscheidet. Dabei ist ein Verhältnis zwischen der Besetzungswahrscheinlichkeit für Quantenzustände mit der ersten Spinquantenzahl und der Besetzungswahrscheinlichkeit für Quantenzustände mit der zweiten Spinquantenzahl abhängig von der Messgröße. Auf diese vorteilhafte Weise lässt sich die Messgröße auf den Gesamtspin transformieren und der Gesamtspin aufgrund der verschiedenen Lebensdauern über die Phasenverschiebung auslesen.
• Bei einigen Ausführungsformen, bei welchen das NV-Zentrum ein Mehrelektronensystem mit einem Gesamtspin aufweist, wird durch das Anregungslicht die Besetzungswahrscheinlichkeit für Quantenzustände mit der ersten Spinquantenzahl gegenüber der Besetzungswahrscheinlichkeit für Quantenzustände mit der zweiten Spinquantenzahl erhöht.
• Bei einigen Ausführungsformen, bei welchen das NV-Zentrum ein Mehrelektronensystem mit einem Gesamtspin aufweist, weist das Messverfahren weiterhin ein Bestrahlen des NV-Zentrums mit einer Mikrowellenstrahlung auf, deren Frequenz über einen vorbestimmten Frequenzbereich variiert wird, wobei bei wenigstens einer Resonanzfrequenz im vorbestimmten Frequenzbereich eine resonante Mikrowellenabsorption bei dem NV-Zentrum auftritt und durch die resonante Mikrowellenabsorption die Besetzungswahrscheinlichkeit für Quantenzustände mit der zweiten Spinquantenzahl gegenüber der Besetzungswahrscheinlichkeit für Quantenzustände mit der ersten Spinquantenzahl erhöht wird. Zudem weist das Messverfahren ein Bestimmen der wenigstens einen Resonanzfrequenz basierend auf wenigstens einer Änderung der Phasenverschiebung bei der Variation der Mikrowellenstrahlung über den vorbestimmten Frequenzbereich auf, wobei der Messwert basierend auf der wenigstens einen Resonanzfrequenz bestimmt wird.
• Bei einigen Ausführungsformen, bei welchen das NV-Zentrum mit Mikrowellenstrahlung bestrahlt wird und eine resonante Mikrowellenabsorption auftritt, ist die Messgröße ein Magnetfeld. Dabei tritt bei einer weiteren Resonanzfrequenz im vorbestimmten Frequenzbereich eine resonante Mikrowellenabsorption bei dem NV-Zentrum auf. Zudem weist das Messverfahren weiterhin ein Bestimmen der weiteren Resonanzfrequenz basierend auf einer weiteren Änderung der Phasenverschiebung bei der Variation der Mikrowellenstrahlung über den vorbestimmten Frequenzbereich auf, wobei der Messwert als Stärke des Magnetfelds wenigstens basierend auf einem Frequenzunterschied zwischen der wenigstens einen Resonanzfrequenz und der weiteren Resonanzfrequenz bestimmt wird.
• Ein Vorteil des Bestimmens des Magnetfelds oder seiner Stärke anhand des Auftretens des resonanten Mikrowellenabsorption kann insbesondere darin liegen, dass der Gesamtspin über die resonante Mikrowellenabsorption gezielt manipulierbar ist und die Mikrowellenfrequenzen mit hoher Genauigkeit variierbar sind, wodurch sich eine höhere Auflösung und/oder Sensitivität für das Bestimmen von Messwerten für das Magnetfeld erzielen lässt.
• Bei einigen Ausführungsformen, bei welchen das NV-Zentrum mit Mikrowellenstrahlung bestrahlt wird und eine resonante Mikrowellenabsorption auftritt, ist die Messgröße ein elektrisches Feld oder eine Materialspannung. Zudem wird der Messwert als Stärke des elektrischen Felds bzw. als Materialspannungswert wenigstens basierend auf einer Verschiebung der wenigstens einen Resonanzfrequenz gegenüber einer Grundresonanzfrequenz, bei welcher die resonante Mikrowellenabsorption ohne elektrisches Feld bzw. ohne Materialspannung auftritt, bestimmt. Auf diese vorteilhafte Weise lassen sich auch (neben einem Magnetfeld) weitere Messgrößen bestimmen und über die resonante Mikrowellenabsorption die Genauigkeit erhöhen.
• Bei einigen Ausführungsformen, bei welchen das NV-Zentrum mit Mikrowellenstrahlung bestrahlt wird und eine resonante Mikrowellenabsorption auftritt, wird wobei das NV-Zentrum kontinuierlich mit der Mikrowellenstrahlung bestrahlt, wobei die Variation der Mikrowellenstrahlung zeitlich langsamer als die Modulation des Anregungslichts ist. Auf diese vorteilhafte Weise lassen sich Störungen durch gepulste Mikrowellenstrahlung vermeiden und die Phasenverschiebung für jede Mikrowellenfrequenz der Mikrowellenstrahl quasi-stationär bestimmen, was einen einfachen Messablauf und/oder eine verlässliche Messung ermöglicht.
• In einigen Ausführungsformen ist die Messgröße ein Magnetfeld oder eine lokale Zustandsdichte in einer Umgebung des NV-Zentrums. Dabei ist die Lebensdauer des wenigstens einen angeregten Zustands abhängig von dem Magnetfeld bzw. der lokalen Zustandsdichte. Auf diese vorteilhafte Weise lässt sich das Messverfahren ohne etwaige Störung durch Mikrowellenstrahlung durchführen und eine entsprechende Messvorrichtung vereinfacht ausbilden.
• In einigen Ausführungsformen umfasst die zeitlich periodische Modulation des Anregungslichts eine zeitlich periodische Modulation der Intensität des Anregungslichts. Weiterhin weist das Messverfahren ein zeitabhängiges Erfassen einer Intensität des Emissionslichts des NV-Zentrums auf. Dabei wird die Phasenverschiebung basierend auf der zeitlich periodischen Modulation der Intensität des Anregungslichts und der zeitabhängig erfassten Intensität des Emissionslichts bestimmt.
• Bei einigen Ausführungsformen, bei welchen die zeitlich periodische Modulation des Anregungslichts eine zeitlich periodische Modulation der Intensität des Anregungslichts umfasst, wird die Intensität des Anregungslichts mittels eines akustooptischen Modulators oder mittels eines elektrooptischen Modulators zeitlich periodisch moduliert wird. Auf diese vorteilhafte Weise lässt sich eine Lichtquelle für das Anregungslicht kontinuierlich betreiben, wodurch sich eine höhere Stabilität der Intensität bzw. der Amplitude der Intensität des auf das NV-Zentrum gestrahlten Anregungslichts erzielen lässt.
• Bei einigen Ausführungsformen, bei welchen die zeitlich periodische Modulation des Anregungslichts eine zeitlich periodische Modulation der Intensität des Anregungslichts umfasst, wird das Anregungslicht mittels einer Laservorrichtung erzeugt und die Intensität des Anregungslichts direkt mittels einer Energiezufuhr zu der Laservorrichtung zeitlich periodisch moduliert. Auf diese vorteilhafte Weise lässt sich ein effizienter Aufbau einer entsprechenden Messvorrichtung ermöglichen und/oder im Messverfahren hohe Modulationsfrequenzen und/oder Intensitätsamplituden erzielen.
• Bei einigen Ausführungsformen, bei welchen die zeitlich periodische Modulation des Anregungslichts eine zeitlich periodische Modulation der Intensität des Anregungslichts umfasst, entspricht die zeitlich periodische Modulation der Intensität des Anregungslichts einem Sinusverlauf. Auch eine Superposition von mehreren Sinusverläufen unterschiedlicher Frequenz ist möglich und kann etwa zur Verbesserung des Signals beitragen.
• In einigen Ausführungsformen weist die zeitlich periodische Modulation Frequenzanteile im Bereich zwischen 5 kHz und 700 MHz auf.
• In einigen Ausführungsformen weist die (Mess-) Vorrichtung weiterhin einen Bandpassfilter auf und ist eingerichtet, ein von der Sensoreinrichtung bestimmtes Sensorsignal, welches das Emissionslicht charakterisiert, mittels des Bandpassfilters zu filtern.
• In einigen Ausführungsformen weist die (Mess-) Vorrichtung weiterhin einen Lock-in-Verstärker auf und ist eingerichtet, basierend auf einem von der Sensoreinrichtung bestimmten Sensorsignal, welches das Emissionslicht charakterisiert, mittels des Lock-in-Verstärkers die Phasenverschiebung zu bestimmen.
• 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
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• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• Doherty, Marcus W.; Manson, Neil B.; Delaney, Paul; Jelezko, Fedor; Wrachtrup, Jörg; Hollenberg, Lloyd C. L. (2013-07-01) [0008]
• „The nitrogen-vacancy colour centre in diamond‟. Physics Reports. The nitrogen-vacancy colour centre in diamond. 528 (1): 1-45 [0008, 0031]
• 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. [0031]
• Doherty, Marcus W.; Manson, Neil B.; Delaney, Paul; Jelezko, Fedor; Wrachtrup, Jörg; Hollenberg, Lloyd C. L. (2013-07-01 [0031]

Claims (18)

1. Messverfahren (400) zum Messen einer Messgröße basierend auf einem NV-Zentrum (140), welches mehrere Quantenzustände aufweist sowie mittels eines Anregungslichts abhängig von einer Besetzung eines der Quantenzustände optisch in wenigstens einen angeregten Zustand der Quantenzustände anregbar ist, wobei der wenigstens eine angeregte Zustand unter Emission von Emissionslicht (56) des NV-Zentrums zerfällt, wobei das Messverfahren (400) aufweist: - (440) Bestrahlen des NV-Zentrums mit dem Anregungslicht (46), wobei das Anregungslicht eine zeitlich periodische Modulation aufweist und wobei eine jeweilige Besetzungswahrscheinlichkeit und/oder eine jeweilige Lebensdauer der Quantenzustände von der Messgröße und dem Anregungslicht abhängt; - (460) Bestimmen einer Phasenverschiebung zwischen dem Emissionslicht des NV-Zentrums und der Modulation des Anregungslichts; und - (470) Bestimmen eines Messwerts für die Messgröße basierend auf der Phasenverschiebung.
2. Messverfahren (400) gemäß Anspruch 1, wobei ein Diamant (104) ein Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (140) als das NV-Zentrum (140) aufweist.
3. Messverfahren (400) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei: das NV-Zentrum (140) ein Mehrelektronensystem mit einem Gesamtspin (m_s) aufweist und die Quantenzustände des NV-Zentrums (140) mehrere Quantenzustände des Mehrelektronensystems umfassen; der Gesamtspin des Mehrelektronensystems im wenigstens einen angeregten Zustand eine erste Spinquantenzahl hat und der Gesamtspin in einem zweiten angeregten Zustand des Mehrelektronensystems eine zweite Spinquantenzahl hat; der zweite angeregte Zustand entsprechend seiner Lebensdauer unter Emission des Emissionslichts (56) zerfällt, wobei sich dessen Lebensdauer von der Lebensdauer des wenigstens einen angeregten Zustands unterscheidet; und ein Verhältnis zwischen der Besetzungswahrscheinlichkeit für Quantenzustände mit der ersten Spinquantenzahl und der Besetzungswahrscheinlichkeit für Quantenzustände mit der zweiten Spinquantenzahl abhängig von der Messgröße ist.
4. Messverfahren (400) gemäß Anspruch 3, wobei durch das Anregungslicht (46) die Besetzungswahrscheinlichkeit für Quantenzustände mit der ersten Spinquantenzahl gegenüber der Besetzungswahrscheinlichkeit für Quantenzustände mit der zweiten Spinquantenzahl erhöht wird.
5. Messverfahren (400) gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei das Messverfahren weiterhin aufweist: - (430) Bestrahlen des NV-Zentrums (140) mit einer Mikrowellenstrahlung (48), deren Frequenz über einen vorbestimmten Frequenzbereich variiert (432) wird, wobei bei wenigstens einer Resonanzfrequenz im vorbestimmten Frequenzbereich eine resonante Mikrowellenabsorption bei dem NV-Zentrum auftritt und durch die resonante Mikrowellenabsorption die Besetzungswahrscheinlichkeit für Quantenzustände mit der zweiten Spinquantenzahl gegenüber der Besetzungswahrscheinlichkeit für Quantenzustände mit der ersten Spinquantenzahl erhöht wird; und - (464) Bestimmen der wenigstens einen Resonanzfrequenz basierend auf wenigstens einer Änderung der Phasenverschiebung bei der Variation der Mikrowellenstrahlung über den vorbestimmten Frequenzbereich, wobei der Messwert basierend auf der wenigstens einen Resonanzfrequenz bestimmt wird.
6. Messverfahren (400) gemäß Anspruch 5, wobei: die Messgröße ein Magnetfeld (80) ist; und bei einer weiteren Resonanzfrequenz im vorbestimmten Frequenzbereich eine resonante Mikrowellenabsorption bei dem NV-Zentrum (140) auftritt; und wobei das Messverfahren weiterhin aufweist: - (466) Bestimmen der weiteren Resonanzfrequenz basierend auf einer weiteren Änderung der Phasenverschiebung bei der Variation der Mikrowellenstrahlung über den vorbestimmten Frequenzbereich, wobei der Messwert als Stärke des Magnetfelds (80) wenigstens basierend auf einem Frequenzunterschied zwischen der wenigstens einen Resonanzfrequenz und der weiteren Resonanzfrequenz bestimmt wird.
7. Messverfahren (400) gemäß Anspruch 5, wobei: die Messgröße ein elektrisches Feld oder eine Materialspannung ist; und der Messwert als Stärke des elektrischen Felds bzw. als Materialspannungswert wenigstens basierend auf einer Verschiebung der wenigstens einen Resonanzfrequenz gegenüber einer Grundresonanzfrequenz, bei welcher die resonante Mikrowellenabsorption ohne elektrisches Feld bzw. ohne Materialspannung auftritt, bestimmt wird.
8. Messverfahren (400) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das NV-Zentrum (140) kontinuierlich mit der Mikrowellenstrahlung (48) bestrahlt wird und die Variation der Mikrowellenstrahlung zeitlich langsamer als die Modulation des Anregungslichts ist.
9. Messverfahren (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei: die Messgröße ein Magnetfeld oder eine lokale Zustandsdichte in einer Umgebung des NV-Zentrums (140) ist; und die Lebensdauer des wenigstens einen angeregten Zustands abhängig ist von dem Magnetfeld bzw. der lokalen Zustandsdichte.
10. Messverfahren (400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche: wobei die zeitlich periodische Modulation des Anregungslichts eine zeitlich periodische Modulation (442) der Intensität des Anregungslichts umfasst; wobei das Messverfahren weiterhin aufweist: - (450) zeitabhängiges Erfassen einer Intensität des Emissionslichts (56) des NV-Zentrums (140); und wobei die Phasenverschiebung basierend auf der zeitlich periodischen Modulation der Intensität des Anregungslichts (46) und der zeitabhängig erfassten Intensität des Emissionslichts (56) bestimmt wird.
11. Messverfahren (400) gemäß Anspruch 10, wobei die Intensität des Anregungslichts mittels eines akustooptischen Modulators oder mittels eines elektrooptischen Modulators (246) zeitlich periodisch moduliert wird.
12. Messverfahren (400) gemäß Anspruch 10, wobei das Anregungslicht (46) mittels einer Laservorrichtung (340) erzeugt wird und die Intensität des Anregungslichts direkt mittels einer Energiezufuhr zu der Laservorrichtung zeitlich periodisch moduliert wird.
13. Messverfahren (400) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die zeitlich periodische Modulation der Intensität des Anregungslichts einem Sinusverlauf entspricht.
14. Messverfahren (400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zeitlich periodische Modulation Frequenzanteile im Bereich zwischen 5 kHz und 700 Mhz aufweist.
15. Vorrichtung (200) zum Messen einer Messgröße, welche aufweist: einen Raumbereich (204) zur Anordnung eines oder mehrerer NV-Zentren (140); eine Lichtquelle (240) zum Bestrahlen des Raumbereichs (204) mit einem Anregungslicht (46), welches eine zeitlich periodische Modulation aufweist und mittels welchem, wenn das eine oder die mehreren NV-Zentren (140) innerhalb des Raumbereichs angeordnet sind, eines oder mehrere der NV-Zentren (140) optisch anregbar sind; eine Sensoreinrichtung (250), die eingerichtet ist, ein von einem oder von mehreren der NV-Zentren (140) emittiertes Emissionslicht (56) zu erfassen; und eine Steuerungseinrichtung (210), die eingerichtet ist, die Lichtquelle (240) zu veranlassen, wenigstens eines der NV-Zentren (140) mit dem zeitlich periodisch modulierten Anregungslicht (46) zu bestrahlen, und basierend auf dem von der Sensoreinrichtung (250) erfassten Emissionslicht (56) eine Phasenverschiebung zwischen dem Emissionslicht (56) und der Modulation des Anregungslichts (46) zu bestimmen sowie basierend darauf einen Messwert für die Messgröße bei dem wenigstens einen NV-Zentrum (140) zu bestimmen.
16. Vorrichtung (200) gemäß Anspruch 15, welche weiterhin einen Lock-in-Verstärker (216) und einen Bandpassfilter aufweist und eingerichtet ist, ein von der Sensoreinrichtung (250) bestimmtes Sensorsignal, welches das Emissionslicht (56) charakterisiert, mittels des Bandpassfilters zu filtern und mittels des Lock-in-Verstärkers (216) die Phasenverschiebung zu bestimmen.
17. Messkopf (100) für eine Messung einer Messgröße, wobei der Messkopf aufweist: ein Gehäuse (190), ein NV-Zentrum (140), eine Lichtquelle, welche eingerichtet ist, das NV-Zentrum mit einem von der Lichtquelle erzeugtem Anregungslicht zu bestrahlen, oder ein optisches Kopplungselement (194), das mit einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Lichtleiter (390) verbindbar ist und das eingerichtet ist, das NV-Zentrum (140) mit einem über den Lichtleiter eingestrahlten des Anregungslicht (46) zu bestrahlen; und eine Sensoreinrichtung, die eingerichtet ist, ein von dem NV-Zentrum emittiertes Emissionslicht zu erfassen, oder ein optisches Kopplungselement (194), das eingerichtet ist, das von dem NV-Zentrum (140) emittierte Emissionslicht (56) an einen außerhalb des Gehäuses angeordneten Lichtleiter (390) zu leiten; und wobei das NV-Zentrum (140) sowie etwaig die Sensoreinrichtung oder etwaig die Lichtquelle innerhalb des Gehäuses (190) angeordnet sind und das Gehäuse abgedichtet ist.
18. System (300) zur Detektion einer Nervenzellaktivität, aufweisend: einen Messkopf (100) gemäß Anspruch 17; eine Lichtquelle (340) zum Erzeugen von Anregungslicht (46), welches eine zeitlich periodische Modulation aufweist und mittels welchem das NV-Zentrum (140) des Messkopfs (100) optisch anregbar ist; eine Sensoreinrichtung (250), die eingerichtet ist, das von dem NV-Zentrum (140) emittierte Emissionslicht (56) zu erfassen; und eine Steuerungseinrichtung (210); wobei: aus der Nervenzellaktivität ein Magnetfeld in einer Umgebung der Nervenzelle resultiert; die Lebensdauer und/oder die Besetzungswahrscheinlichkeit eines wenigstens einen angeregten Zustands von Quantenzuständen der NV-Zentrums (140) durch eine Stärke und/oder Orientierung eines Magnetfelds (80) bei dem NV-Zentrum (140) veränderbar ist; und die Steuerungseinrichtung (210) eingerichtet ist, die Lichtquelle (240, 340) zu veranlassen, das NV-Zentrum (140) mit dem zeitlich periodisch modulierten Anregungslicht zu bestrahlen, und basierend auf dem von der Sensoreinrichtung erfassten Emissionslicht eine Phasenverschiebung zwischen dem Emissionslicht (56) und der Modulation des Anregungslichts (46) zu bestimmen sowie basierend darauf einen Messwert für das Magnetfeld bei NV-Zentrum zu bestimmen und damit, wenn das NV-Zentrum in der Umgebung der Nervenzelle angeordnet ist, anhand des Magnetfelds aufgrund der Nervenzellaktivität die Nervenzellaktivität zu detektieren.

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