DE102020000075A1

DE102020000075A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von akustisch äquivalenten elektrischen und digitalen Signalen mittels auf quantenmechanischen Effekten beruhenden Sensoren als Mikrophone oder Tonabnehmer für Musikinstrumente sowie weitere technische und medizinische Instrumente

Info

Publication number: DE102020000075A1
Application number: DE102020000075.4A
Authority: DE
Inventors: Nils Thorben Meijer; Robert Staacke; Jan Berend Meijer
Original assignee: Individual
Current assignee: Quantum Technologies GmbH
Priority date: 2019-08-05
Filing date: 2020-01-08
Publication date: 2021-02-11

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Tönen oder mechanischen Schwingungen äquivalenter digitaler oder analoger Signale mittels eines auf quantenmechanischen Effekten beruhenden Sensors. Dabei wird entweder ein schwingendes mechanisches Systems an ein elektrisches oder magnetisches Feld gekoppelt und von einem ortsfesten Sensor ausgelesen oder der Sensor wird an ein schwingendes mechanisches System gekoppelt und einem ortsfesten Feld ausgesetzt. Dieses von einem mechanischen System erzeugte zeitlich alternierende magnetische oder elektrische Feld wird mit Hilfe eines auf paramagnetischer Spinzustände basierender Sensoren hochfrequent ausgelesen. Vorrichtungen basierend auf diesem Verfahren besitzen vielfältige Anwendungen, wie Tonabnehmer von Gitarren, medizinische Geräte oder zur Qualitätskontrolle mechanischer Bauteile wie Getriebe von Windkrafträdern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Detektion von mechanischen Schwingungen mittels auf quantenmechanischen Effekten beruhenden Sensoren. Die mechanischen Schwingungen dienen beispielsweise in Musikinstrumenten zur Erzeugung von Tönen. Die Bewertung der Amplitude und der Frequenz mechanischer Schwingungen können aber auch zur Qualitätskontrolle von Motoren oder andere sich regelmäßig bewegende Bauelemente genutzt werden. Weitere Anwendungen liegen in der Nutzung als Seismograph oder für medizinische Untersuchungen. Gattungsgemäße Verfahren um Schwingungen in elektrisch oder digital äquivalente Signale umzuwandeln sind auf Druck basierende Sensoren, thermoelastische oder auf magnetische Induktion basierende Verfahren. Letzteres ist insbesondere für elektrische (E-)Gitarren und Bässe gebräuchlich. Nach dem Stand der Technik ist beispielsweise bekannt, dass E-Gitarren oder E-Bässe mit Tonabnehmern (Pick-Ups) ausgestattet sind, um die Schwingungen einer angeschlagenen Saite in akustische Signale umzuwandeln. Dabei wird die Induktion von Spannungen mittels Feldänderungen in einer Spule nach dem Faraday'schen Gesetz genutzt. Die Bestimmung von Schwingungen durch Geophone nutz ebenfalls eine Ankopplung von Erdschwingungen an eine Spule in dem sich ein freibeweglicher Magnet befindet.
Ein wesentlicher prinzipieller Nachteil dieser Verfahren ist, dass die Induktionsspannung durch die Änderung des magnetischen Feldes bestimmt wird, also einen Differentialfilter darstellt mit einer entsprechenden Rauschverstärkung. Ebenfalls stellt die Induktion der Spule in dem Messsystem einen Tiefpass dar und führt zu nicht linearen Übertragungen mechanisch zusammengesetzter Schwingungen unterschiedlicher Frequenzen. Ähnliche Nachteile besitzen auf Druck basierende Sensoren. Herkömmliche magnetische Sensoren besitzen zudem den Nachteil, dass sie eine geringe Empfindlichkeit besitzen oder eine starke Temperaturabhängigkeit zeigen oder beides. Die Übertragung der mechanischen Schwingungen in akustisch äquivalente elektrische oder digitale Signale ist somit nur bedingt mit der derzeitigen Technik möglich.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu beseitigen und eine lineare Übertragung der mechanischen Schwingungen unterschiedlicher Frequenzen ohne Temperaturabhängigkeiten, störungsfrei und mit einer extrem langen Lebensdauer zu ermöglichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt das erfindergemäße Verfahren vor, das mechanisch schwingende System mit einem magnetischen oder einem elektrischen Feld zu koppeln und die Magnetfeldstärke mittels eines auf quantenmechanische Effekte beruhenden Sensors zu bestimmen. Auf quantenmechanischen Effekten basierende Sensoren beruhen bevorzugt auf paramagnetischen Spin-Zuständen und erzeugen selbst kein oder ein extrem geringes Magnetfeld. Sie erlauben es, Magnetfelder mit bis zu mehreren hundert kHz frequenzunabhängig zu bestimmen. Gegenüber Magnetfeldmessverfahren, die auf Induktion basieren, wirkt das Messsystem somit nicht auf das schwingende System ein und erlaubt somit eine unbeeinflusste Messung. Durch das auf quantenmechanischen Effekten beruhende Messprinzip ist die Detektion weitgehend temperaturunempfindlich.
Die im Folgenden beschriebenen Merkmale und die Merkmale der Ansprüche können typischerweise miteinander kombiniert werden, auch wenn solche Kombinationen in den Ansprüchen der Erstanmeldung nicht miteinander kombiniert sind, da z. T. nur bevorzugte Kombinationen in den Ansprüchen Niederschlag fanden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das durch ein mechanisch schwingendes System erzeugte alternierende Magnetfeld oder ein elektrisches Wechselfeld durch einen bevorzugten zum alternierenden Magnetfeld oder elektrischen Wechselfeld ortfesten Sensor abgetastet.
Vorzugweise wird das alternierende magnetische oder elektrische Feld des Sensors mittels einer Zustandsänderung elektrischer Spins paramagnetischer Zentren bestimmt. Hierbei wird die Änderung von Spinzuständen der paramagnetischen Zentren mittels Fluoreszenz in unterschiedlichen Wellenlängen oder mittel der unterschiedlichen Anzahl von Fotoelektronen oder des unterschiedlichen Betrags elektrischer Fotoströme oder beides detektiert.
Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das paramagnetische Zentren enthaltende Material mit elektromagnetischen Wellen bestrahlt und die entstehende Fluoreszenz bestimmt. Um die Fluoreszenz von der Quelle zu diskriminieren, wird zwischen dem Material mit den paramagnetischen Zentren und einem Licht empfindlichen Detektor ein Filter angebracht mit der Vorgabe, die Wellenlänge der Lichtquelle zu filtern, d.h. in der Intensitätsamplitude für die Anwendung ausreichend zu schwächen, und die Fluoreszenz nicht zu filtern d.h. nicht bzw. nicht wesentlich zu schwächen.
Vorzugsweise wird das Fluoreszenzsignal mittels einer Foto- und/oder Avalanchediode und/oder einem anderen fotoempfindlichen Detektor in elektrische Signale (Strom- oder/und Spannungssignale) transformiert.
Besondere Vorzüge ergeben sich, wenn man die Fotoelektronen der paramagnetischen Zentren des Materials detektiert und/oder die Anregung der Zentren mittels eines Stromes erreicht. In diesem Fall kann auf die Lichtquelle und die Fotodiode verzichtet werden.
Als alternatives Verfahren wird neben dem Laser das Material mit paramagnetischen Zentren gleichzeitig mit Mikrowellen bestrahlt, um so den Spinübergang selektiv zu treiben. Die Frequenz der Mikrowelle und die Stärke des zu messenden Magnetfeldes können hierdurch korreliert werden. Als messendes Signal dienen wiederum die Änderungen der Fluoreszenz oder der erzeugten Photoelektronen oder beides.
Vorzugsweise werden Stickstoff-Fehlstellen (engl. nitrogen vacancy, kurz NV)-Zentren in Diamant als paramagnetische Zentren genutzt, um alternierende elektrische oder magnetische Felder hervorgerufen durch ein mechanisch schwingendes System, zu detektieren. Bevorzugt wird die Änderung der roten Fluoreszenz als Signal bei nicht zur NV-Achse ausgerichteten Magnetfeldern verwandt. Nicht ausgerichtete Magnetfelder führen zu einem Vermischen der Spinzustände m_s=0, m_s =1 und m_s =-1 im Grundzustand und Angeregten Zustand. Die mittlere Photonenausbeute des Systems bei Anregung mit einer geeigneten Lichtquelle einer Wellenlänge zwischen 300-700 nm, vorzugsweise 500-600 nm in einen Zustand mit m_s=0 ist höher als bei Anregung in m_s=1 oder m_s=-1 Wird zusätzlich eine Mikrowelle genutzt, kann die Mikrowelle den Übergang zwischen m_s=0, m_s=1 und m_s=-1 bei einem abgestimmten Magnetfeld direkt treiben.
Als alternative Detektionsverfahren können neben der Fluoreszenz auch durch den Photoeffekt erzeugte Elektronen detektiert und ausgewertet werden.
Bevorzugt werden Diamanten mit einer hohen NV Dichte genutzt, um ein hohes Signal- zu - Rauschverhältnis zu gewährleisten. Die Diffusionskonstante von Diamant ist nahezu Null, diese Sensoren aus Diamant besitzen somit den Vorteil, dass keine Alterungserscheinungen zu erwarten sind. Eine hohe NV-Dichte verleiht dem Diamant eine rote bis tiefrote oder schwarze Farbe. Wird der Diamant mit bevorzugt grünem Licht angestrahlt, leuchtet der Diamant aufgrund der NV-Fluoreszenz rot. Der Diamant des Sensors kann mit Brillantschliff als Schmuckstein ausgeführt werden. Beispielsweise für Musikinstrumente wie E-Gitarren ist der Sensoraufbau vorzugweise so gestaltet, dass nur der rot leuchtende Diamant gut sichtbar angebracht ist.
Bevorzug werden stickstoffreiche sogenannte rote Diamanten genutzt, die nach dem High-Pressure-High-Temperature-Verfahren hergestellt und einer zusätzlichen Elektronenbestrahlung und einer Temperaturbehandlung unterzogen werden.
Als weitere Ausführung können Mikro- oder Nanopartikel, die auf ein geeignetes Substrat aufgebracht werden, als Sensormaterial genutzt werden. Grundsätzlich sind alle Formen von Diamant mit einem NV Gehalt möglich, da eine Ausrichtung des NV-Zentrums zu einem Magnetfeld nicht notwendig ist. Dies unterscheidet den Sensor von den bisherigen auf Diamant basierenden Sensoren.
Eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich in der Nutzung einer Diamantschicht, die mit Hilfe von Abscheideverfahren auf einem Substrat aufgebracht wird. Die Form des Sensors kann somit frei gewählt werden, ebenfalls sind große Sensorflächen möglich.
Zweckmäßigerweise wird der Anregungsstrahl, vorzugsweise ein Laser, gepulst. Das gepulste Anregungssignal wird als Referenzsignal für einen Look-In-Verstärker genutzt, um das in elektrischen Strömen oder Spannungen umgewandelte Fluoreszenz Signal rauscharm zu verstärken.
Besondere Vorzüge ergeben sich, wenn Lichtquelle, Diamant, Filter und Fotodiode eine Einheit bilden. Diese Einheit kann miniaturisiert und beispielswiese unterhalb des schwingenden Systems angebracht werden.
Eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich durch die Verwendung eines Lichtwellenleiters oder anderer lichtführender Strukturen, um das Material mit paramagnetischen Zentren -beispielsweise Diamant mit NV-Zentren- von der Anregungsquelle und der Detektion räumlich getrennt zu betreiben. Beispielsweise kann ein roter Brillant sichtbar an einem Resonanzkörper, beispielsweise der Korpus einer E-Gitarre, sichtbar angebracht werden, während die Beleuchtungseinheit und Detektion sich innerhalb des Korpus oder unterhalb des Griffbretts befinden. Lediglich eine kleine Bohrung zum Anbringen der Fiber ist notwendig, um den Sensor zu betreiben. Hierdurch ergeben sich neue Gestaltungsmöglichkeiten im Design einer Gitarre.
Vorzugsweise wird die Ankopplung mehrerer Sensoren beispielsweise Diamanten mit NV-Zentren an einer Lichtquelle durchgeführt. Die Lichtquelle kann sich außerhalb des Musikinstrumentes befinden und mit einer Lichtfiber an das Musikinstrument gekoppelt werden. Ebenfalls ist es möglich, eine Detektion für mehrere Sensoren mit paramagnetischen Zentren vorzugweise Diamant mit NV-Zentren zu nutzen. Die Detektion der Fluoreszenz kann außerhalb des Musikinstruments erfolgen.
Eine bevorzugte Variante ist die Beleuchtungs- und Detektionseinheit über einen Lichtwellenleiter (englisch Fiber) oder zwei auf die Wellenlängen der Anregungsstrahlung bzw. Fluoreszenzstrahlung abgestimmte Lichtwellenleiter mit dem Sensormaterial zu verbinden. Bevorzugt wird die Anregung und Detektion über einen photonischen Lichtwellenleiter erfolgen, der sowohl eine Anregung als auch einen Fluoreszenzzweig separiert.
Vorzugsweise wird als mechanisch schwingendes System ein ferromagnetisches Material genutzt, beispielsweise eine ferromagnetische Saite, beispielsweise die Saite einer E-Gitarre oder E-Bass.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann ebenso auch eine beschichtete Saite für Streichinstrumente oder klassische Saiteninstrumente genutzt werden. Als schwingendes System kommt auch eine magnetische Membran in Betracht, die mit dem schwingenden System über Luft oder eine anderes Medium gekoppelt wird. Beispielsweise kann so ein Mikrofon aufgebaut werden.
Als weitere Ausführung kann der Sensor zur Qualitätskontrolle mechanischer Systeme wie Getriebeeinheiten oder Motoren genutzt werden. Ein besonderer Vorteil liegt hierbei in der räumlichen Trennung der Sensoreinheit (beispielsweise Diamant und Fiber) sowie der elektronischen Auswerte- und Bestrahlungseinheit. Dies ermöglicht den Einsatz in für elektronische Bauelemente nicht anwendbare Umgebungen wie bei höheren Temperaturen oder einem hohen ionisierenden Strahlungspegel. Auch können die Sensoren in Bohrlöcher mit hohem Druck eingesetzt werden.
Als weitere Ausführung können die Sensoren als Geophone oder Seismographen zur Überwachung von Erdbeben, Detonationen oder zur Aufzeichnung von Bewegungsmustern von Fahrzeugen, Personen oder Tieren genutzt werden. Vorzugsweise kann der Sensor als Sonarsensor unter Wasser genutzt werden.
Als weitere Ausführung kann der Sensor zur Detektion von plötzlichen Druckunterschieden, beispielsweise zur Auslösung von Airbag-Systemen genutzt werden.
Eine weitere Ausführung ist den Sensor zur Überwachung von medizinischen Parametern zu nutzten. Wird der Sensor an die Fiber angebracht, kann der Sensor über den Gefäßen in der Nähe des zu messenden Organs, Herz oder Gehirn, angebracht werden. Bevorzug kann der Sensor zur Steuerung eines Herzschrittmachers genutzt werden.
Eine weite Anwendung liegt in der Nutzung des Sensors als Hörgerät. Durch das geringe Gewicht und die direkte Umsetzung der akustischen Signale in digitale Signale ergibt sich eine rauscharme Aufnahme. Da Diamant biokompatibel ist und die Sensoreinheit von der Detektionseinheit getrennt betrieben wird, kann der Sensor als Implantat im Innenohr eingesetzt werden.
Kern der Erfindung
Im Kern der hier vorgelegten Beschreibung steht somit eine quantentechnologische Vorrichtung mit einem Sensorelement. Das Sensorelement umfasst einen Kristall mit einer Kristallachse. Der Kristall ist bevorzugt ein Diamant. Er weist ein paramagnetisches Zentrum in dem Kristall auf. Im Falle eines Diamanten ist das paramagnetische Zentrum bevorzugt ein NV-Zentrum. Das Sensorsystem weist bevorzugt die Möglichkeit, beispielsweise in Form eines Leuchtmittels wie einer LED oder eines Lasers, oder Mittel, beispielsweise in Form eines optischen Fensters, auf, das paramagnetische Zentrum mittels Anregungsstrahlung anzuregen. Das paramagnetische Zentrum ist typischerweise in Bezug zu einer der folgenden betreffenden Kristallachsen in einer ersten Richtung ausgerichtet. Die betreffenden Kristallachsen sind, insbesondere im Falle eines Diamanten als Kristall, die Kristallachsen [100], [010], [001], [111] des Kristalls und deren Äquivalente (wie z.B. [-100], [-1,-1,-1] etc.). Das paramagnetische Zentrum, also beispielsweise das NV-Zentrum, emittiert bei Anregung durch die Anregungsstrahlung eine Fluoreszenzstrahlung. Die Fluoreszenzstrahlung wird dabei in Abhängigkeit von einem Magnetfeld mit einer magnetischen Flussdichte B in einer zweiten Richtung moduliert. D.h. die Intensität der Fluoreszenzstrahlung hängt von der magnetischen Flussdichte B bzw. von der magnetischen Feldstärke H ab. Erfindungsgemäß wurde nun erkannt, dass bevorzugt die zweite Richtung von der ersten Richtung abweichen sollte, da dann die Fluoreszenzintensität mit steigendem Betrag der magnetischer Flussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums im Kristall zumindest für bestimmte Intervalle des Betrags der magnetischen Flussdichte streng monoton fallend sinkt. Wie leicht zu sehen ist, weist die Abhängigkeit der Fluoreszenzintensität von der Magnetischen Flusssdichte auch Bereiche streng monoton steigender Fluoreszenzintensität auf, dort gilt innerhalb dieser Bereiche analog das entsprechende. Es sollte aber vermieden werden, streng monoton fallende und steigende Bereiches des Betrags der Flussdichte gleichzeitig zu verwenden. Dies ist nicht der Fall, wenn, wie im Stand der Technik üblich die Kristalle ausgerichtet werden, um Mikrowellenstrahlung einsetzen zu können. 8 zeigt die Fluoreszenzkurve aus der zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Offenlegung unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2018 127 394.0 , deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich Teil dieser Offenlegung ist.
In der 8 stimmen die erste Richtung und die zweite Richtung überein.
9 zeigt die Lumineszenz bei Verkippung der beiden Richtungen gegeneinander. Ein erster Vorteil ist, dass die sich ergebende Abhängigkeit eine Funktion der magnetischen Flussdichte B ist und damit umkehrbar ist. Im Stand der Technik werden die Kristalle immer ausgerichtet, so dass die Abhängigkeit der der 8 entspricht. Dies wird in den Offenlegungen des Stands der Technik benutzt, um in den Resonanzpunkten mittels Mikrowellenbestrahlung die Spins manipulieren zu können. Der Nachteil des hier vorgeschlagenen Verfahrens im Gegensatz zu den Verfahren und Vorrichtungen des Stands der Technik ist somit, dass eine solche Mikrowellenmanipulation dann bei Nutzung dieser Verkippung der Richtungen nicht mehr möglich ist.
Dieser Nachteil wird jedoch dadurch aufgewogen, dass dann Montageverfahren, wie sie in der noch unveröffentlichten Anmeldung DE 10 2019 114 032.3 vorgeschlagen werden, angewandt werden können. Der Offenbarungsgehalt der zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Offenlegung noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2019 114 032.3 ist vollumfänglicher Teil dieser Offenlegung.
Als Gehäuse wird ein Gehäuse wie beispielsweise in der zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Offenlegung noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2019 120 076.8 vorgeschlagen. Der Offenbarungsgehalt der zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Offenlegung noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2019 120 076.8 ist vollumfänglicher Teil dieser Offenlegung.
Bei dem Kristall handelt es sich bevorzugt um einen Diamantkristall mit einem NV-Zentrum als paramagnetisches Zentrum.
Die zweite Richtung weicht von der ersten Richtung bevorzugt in der Art ab, dass das GSLAC-Extremum (siehe 8) bei einer magnetischen Gesamtflussdichte am Ort des paramagnetischen Zentrums bei 102,4mT um nicht mehr als 2% und/oder nicht mehr als 1% und/oder nicht mehr als 0,5% vom normierten 1-Wert der Fluoreszenz (siehe 8 und DE 10 2018 127 394.0 ) abweicht.
Durch diese Richtungsverstimmung bzw. De-Kalibrierung wird eine schlechte Quantenzahl zugrunde gelegt, die zu einer Mischung der Quantenzustände und damit zu einer Abnahme der Fluoreszenzführt. Es wird ein zusätzliches Magnetfeld angelegt, das nicht in Richtung der ersten Richtung der Kristallachse zeigt. Das Lumineszenzverhalten der 8 in Abhängigkeit von der magnetischen Flussdichte B kann also nur bei Ausrichtung der Kristalle beobachtet werden. Insbesondere die in der 8 erkennbaren Resonanzpunkte (Peaks) sind nur bei Ausrichtung der Magnetfeldrichtung zur Kristallachse erkennbar.
9 zeigt den sich ergebenden Verlauf bei Dekalibrierung der Ausrichtung (also einer unterschiedlichen ersten und zweiten Richtung). Erst dann ist eine beliebige Ausrichtung des Magnetfeldes möglich. Wie leicht in der 9 erkennbar ist, ist die die Abhängigkeit zwischen der Magnetischen Flussdichte B und der Fluoreszenz in einem optimalen Arbeitspunktbereich am größten. Durch einen zusätzlichen Permanentmagneten und/oder eine bestromte elektrische Spule kann dem zu messenden Feld ein Bias-Feld überlagert werden, wodurch die Änderung der Fluoreszenz maximiert wird.
Eine Nichtausrichtung der ersten Richtung gegenüber der zweiten Richtung lässt sich daran erkennen, dass keine Resonanzen auftreten. Natürlich kann man jederzeit das magnetische Feld so ausrichten, dass diese Resonanzen auftreten. Wenn eine Vorrichtung aber dazu bestimmt und geeignet ist, auch Magnetfelder zu vermessen, bei denen die erste und zweite Richtung nicht übereinstimmen, so liegt sie auch dann im Beanspruchungsbereich der entsprechenden Ansprüche sofern deren übrige Merkmale zutreffen und zwar auch dann wenn sie bei einer bestimmten Magnetfeldrichtung die besagten Resonanzen aufweist. Durch das Vermeiden der Resonanzfälle der 8 ergibt sich somit die zumindest für bestimmte Intervalle des Betrags der magnetischen Flussdichte streng monoton fallende Kurve der 9, die dann auch zumindest für die besagten bestimmten Intervalle des Betrags der magnetischen Flussdichte bijektiv und damit kalibrierbar ist. Erst dann wird es möglich in einer Massenproduktion ein Messsystem zu produzieren. Wie zu erkennen ist, weist die 8 auch Bereiche des Betrags der magnetischen Flussdichte auf, die streng monoton steigend sind. In diesen Bereichen gilt entsprechend das vorher gesagte. Die gleichzeitige Verwendung von streng monoton fallenden und streng monoton steigenden Bereichen sollte vermieden werden, um die Bijektivität sicherzustellen.
Dieser Vorrichtung entspricht ein Verfahren zum Betrieb einer quantentechnologischen Vorrichtung umfassend den Schritt des Bereitstellens eines Sensorelements, wobei das Sensorelement einen Kristall mit einer Kristallachse aufweist und wobei der Kristall ein paramagnetisches Zentrum in dem Kristall aufweist. Des Weiteren umfasst das vorgeschlagene Verfahren das Bestrahlen des paramagnetischen Zentrums mit Anregungsstrahlung mit einer ersten Wellenlänge und das Emittieren von Fluoreszenzstrahlung in Abhängigkeit von der Anregungsstrahlung und in Abhängigkeit von dem Wert einer magnetischen Gesamtflussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums. Im Falle eines sich bewegenden paramagnetischen Zentrums werden Teile des elektrischen Feldes mit der elektrischen Feldstärke E in ein magnetisches Feld mit einer daraus resultierenden magnetischen Flussdichte B umtransformiert. Somit ist die entsprechende Vorrichtung bei Bewegung der Vorrichtung in der Lage auch elektrostatische Felder bzw. komplexere elektromagnetische Felder zu detektieren. Zur Vereinfachung bezieht sich alles zuvor und später gesagte auf den Fall ruhender Koordinatensysteme mit einem Koordinatenursprung in dem paramagnetischen Zentrum. Die Beanspruchung umfasst aber eben auch die Erfassung elektrostatischer Felder durch Nutzung einer Lorenztransformation. Als weiteren Schritt umfasst das Verfahren das Erfassen zumindest eines Teils der Fluoreszenzstrahlung und die Ermittlung eines Werts der Fluoreszenzstrahlung. Besonderes Kennzeichen des vorgeschlagenen Verfahrens ist, dass das paramagnetische Zentrum in Bezug zu einer der folgenden betreffenden Kristallachse in einer ersten Richtung ausgerichtet ist, wobei die betreffenden Kristallachsen die Kristallachsen [100], [010], [001], [111] des Kristalls und deren Äquivalente (wie z.B. [-100], [-1,-1,-1] etc.) sind, und dass der Vektor der magnetischen Flussdichte B in eine zweite Richtung weist und dass diese zweite Richtung von der ersten Richtung abweicht. Wie zuvor handelt es sich es sich bei dem Kristall bevorzugt um einen Diamantkristall mit einem NV-Zentrum als paramagnetisches Zentrum.
Als Kennzeichen eines beanspruchten Verfahrens kann angesehen werden, dass in zumindest einer vorgesehenen Raumrichtung für den Vektor der magnetischen Flussdichte relativ zu der betreffenden Vorrichtung, die das Verfahren ausführt, die zweite Richtung von der ersten Richtung in der Art abweicht, dass das GSLAC-Extremum bei einer magnetischen Gesamtflussdichte am Ort des paramagnetischen Zentrums bei 102,4mT um nicht mehr als 2% und/oder nicht mehr als 1% und/oder nicht mehr als 0,5% vom normierten 1-Wert der Fluoreszenz abweicht. Im Idealfall ist es verschwunden.
Im Rahmen dieser Offenlegung wird somit ein Verfahren zur Wandlung von akustischen oder anderen mechanischen Schwingungen und/oder Positionsinformationen und/oder Positionsänderungsinformationen in optische Signale und/oder digitale elektrische Signale und/oder analoge elektrische Signale vorgeschlagen, dass u.a. folgende Schritte umfasst:

Ein erster Schritt ist das Erzeugen einer mit einem ersten Modulationssignal, das konstant sein kann, modulierten magnetischen Flussdichte B oder einer mit dem ersten Modulationssignal modulierten magnetischen Feldstärke H. Ein zweiter Schritt ist das Erfassen dieser modulierten magnetischen Flussdichte B oder dieser modulierten magnetischen Feldstärke H mittels einer auf paramagnetischen Zentren in einem diamagnetischen Material, beruhenden Vorrichtung und Wandlung des erfassten Werts der modulierten magnetischen Flussdichte B oder des erfassten Werts der modulierten magnetischen Feldstärke H in ein optisches Signal und/oder ein digitales elektrisches Signal und/oder ein analoges elektrisches Signal mittels dieser Vorrichtung.

Wie zuvor handelt es sich bevorzugt bei dem diamagnetischen Material um einen Diamantkristall und bei dem paramagnetischen Zentrum bevorzugt um ein NV-Zentrum. Es sind aber auch andere Zentren denkbar (beispielsweise SiV-Zentren etc.) Ganz allgemein wird daher die Verwendung eines Farbzentrums in einem Kristall als paramagnetisches Zentrum für Messung magnetischer Flussdichten beansprucht, wobei die Kristallachse des Farbzentrums gegenüber dem Vektor der Magnetischen Flussdichte B verdreht ist.
Eine Bewegung eines Messobjekts, dessen Beschleunigung oder eine andere Methode können beispielsweise eine Modulation der magnetischen Flussdichte B oder der magnetischen Feldstärke H am Ort des paramagnetischen Zentrums durch das betreffende Objekt verursachen, die dann mittels der vorbeschriebenen Verfahren und Vorrichtungen erfasst werden kann.
Ganz allgemein umfasst daher das vorgeschlagene Verfahren das Erzeugen des ersten Modulationssignals mittels eines mechanischen Systems.
Dies ist im Ergebnis äquivalent mit dem Erzeugen des modulierten optischen Signals mittels einer Fluoreszenzstrahlung des paramagnetischen Zentrums, deren Modulation von der Modulation der modulierten magnetischen Flussdichte B oder von der Modulation der modulierten magnetischen Feldstärke H abhängt.
Dabei zeigen die paramagnetischen Zentren eine von der Änderung der magnetischen Flussdichte B und/oder von der Änderung der magnetischen Feldstärke H abhängige Änderung einer von ihnen emittierten Fluoreszenzstrahlung und/oder eine von der Änderung der magnetischen Flussdichte B und/oder von der Änderung der magnetischen Feldstärke H abhängige Änderung der Menge der von Ihnen erzeugten Fotoelektronen nach Bestrahlung des diamagnetischen Materials mit visuellem Licht und mit oder ohne Mikrowellenstrahlung. Die Fotoelektronen, die das paramagnetische Zentrum erzeugt können durch elektrische Felder in dem Material des Kristalls zu Kontakten hin abgesaugt werden.
Bevorzugt wird die Fluoreszenzstrahlung von paramagnetischen Zentren oder eine Menge an Photoelektronen, die durch paramagnetische Zentren erzeugt werden, in einem Diamanten mit einer zumindest lokalen NV Zentrumskonzentration innerhalb des Diamanten von mindestens 0,0001 ppm, und/oder von mindestens 0,001 ppm und/oder bevorzugt von mindestens 0,01 ppm und/oder von mindestens 0,1 ppm bezogen auf die Menge der Diamantkohlenstoffatome erzeugt.
Zur Erzeugung der Fluoreszenz wird bevorzugt moduliertes Licht einer mittels eines zweiten Modulationssignals amplitudenmodulierten Lichtquelle, insbesondere ein gepulster Laser oder eine gepulste LED, mit einer unteren Modulationsfrequenz des zweiten Modulationssignals von mindestens 1 kHz und/oder mindestens 10kHz und/oder mindestens 100kHz und/oder mindestens 1MHz und/oder mindestens 10MHz genutzt. Paramagnetische Zentren emittieren dann typischerweise eine modulierte Fluoreszenzstrahlung, die von dem modulierten Licht der modulierten Lichtquelle als modulierte Anregungsstrahlung abhängt.
Die modulierte Fluoreszenzstrahlung wird dann bevorzugt mit einem lichtempfindlichen elektronischen Bauelement, insbesondere einer Fotodiode und/oder über Fotoelektronen erfasst und in ein moduliertes Empfangssignal gewandelt.
Es folgt dann bevorzugt die Wandlung des modulierten Empfangssignals mittels eines Synchrondemodulators und/oder eines Lock-In-Verstärkers und/oder mittels einer anderen Vorrichtung, die ein Pegelsignal mittels Skalar-Produktbildung zwischen einerseits dem zweiten Modulationssignal oder einem aus dem zweiten Modulationssignal gebildeten abgeleiteten Modulationssignal und andererseits dem Empfangssignal bildet, und die Verwendung des Pegelsignals oder eines daraus abgeleiteten Pegelsignals als Sensorsignal. Bevorzugt erfolgt die Erzeugung des abgeleiteten Modulationssignals aus dem zweiten Modulationssignal durch Phasenverschiebung.
Es ist möglich, dass das zweite Modulationssignal einen von Null verschiedenen spektralen Frequenzanteil mit einer unteren Frequenzbereichsgrenzfrequenz von kleiner 1kHz und/oder besser kleiner 100Hz und/oder besser kleiner 10Hz und/oder besser kleiner 1Hz von mindestens 1 Hz und mit einer oberen Frequenzbereichsgrenzfrequenz von besser größer 1MHz und/oder besser größer 10MHz und/oder besser größer 100MHz und/oder besser größer 1GHz und/oder besser größer 10GHz aufweist.
Bei einem Musikinstrument, wie beispielsweise einer Gitarre als Beispiel für ein mechanisches System, kann beispielsweise die Erzeugung der mit dem ersten Modulationssignal modulierten magnetischen Flussdichte B oder der mit dem ersten Modulationssignal modulierten magnetischen Feldstärke H mittels einer ersten Quelle (MG1) eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes, das mit dem mechanischen System gekoppelt ist erfolgen.
Bevorzugt erfolgt diese Erzeugung einer weiteren magnetischen Flussdichte B und/oder magnetischen Feldstärke, die der mit dem ersten Modulationssignal modulierten magnetischen Flussdichte B oder der mit dem ersten Modulationssignal modulierten magnetischen Feldstärke H summierend überlagert ist mittels einer zweiten Quelle (MG2) eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes, das mit dem mechanischen System nicht gekoppelt ist. Bevorzugt bringt diese zweite Magnetische Quelle (MG2) das Sensorsystem in den optimalen Arbeitspunktbereich der 9.
Somit ist das Einstellen des Arbeitspunktes zur Nutzung des paramagnetischen Zentrums durch Verwendung einer zweiten Quelle (MG2) in Kombination mit einer ersten Quelle (MG1) ein ganz wesentlicher Schritt zur Optimierung der Empfindlichkeit. Diese Einstellung kann wie, bereits beschrieben durch Permanentmagneten und/oder Elektromagneten, also beispielsweise bestromte Spulen und/oder Leitungen, erfolgen.
Eine andere Variante der Vorrichtung umfasst einer Leuchtquelle (LQ), also beispielsweise einen Laser und/oder eine LED, und ein diamagnetisches Material (MPZ), sowie einen Detektor (PD). Des Weiteren umfasst diese beispielhafte Vorrichtung ein mechanisches System (MS) und eine erste Quelle (MQ1). Das diamagnetische Material weist wieder ein paramagnetisches Zentrum auf. Die Leuchtquelle (LQ) emittiert eine für das paramagnetische Zentrum geeignete Anregungsstrahlung. Das paramagnetische Zentrum wird von der Anregungsstrahlung bestrahlt und emittiert deshalb Fluoreszenzstrahlung. Die erste Quelle (MQ1) ist bevorzugt mit dem mechanischen System (MS) gekoppelt. Es kann sich bei der ersten Quelle beispielsweise um das ferromagnetische Material einer Gitarrensaite oder eines Rotors einer elektrischen Maschine handeln. Ganz allgemein ist hiermit eine Quelle einer Modifikation der magnetischen Flussdichte B gemeint. Dabei lässt das mechanische System (MS) eine Bewegung der ersten Quelle (MQ1) relativ zum diamagnetischen Material (MPZ) zu und/oder verursacht diese. Der Detektor (PD) erfasst die Fluoreszenzstrahlung und wandelt den erfassten Intensitätswert für die Intensität der Fluoreszenzstrahlung in ein Empfangssignal um, das digital und/oder analog sein kann. Es kann sich auch um einen Speicherwert in einer Signalverarbeitungseinrichtung handeln.
Die Vorrichtung umfasst bevorzugt einen Filter (F1), wobei der Filter (F1) im Wesentlichen verhindert, dass Anregungsstrahlung den Detektor (PD) erreicht. Der Filter (F1) verhindert im Wesentlichen nicht, dass Fluoreszenzstrahlung den Detektor (PD) erreicht. Im Wesentlichen bedeutet das, dass die trotzdem auftretende Dämpfung der Intensität der Fluoreszenzstrahlung die Funktionstüchtigkeit der Vorrichtung nicht beeinträchtigt. Bevorzugt besitzt die Anregungsstrahlung eine Wellenlänge zwischen 500-600 nm. Bevorzugt handelt es sich bei dem diamagnetischen Material (MPZ) um Diamant und bei dem paramagnetischen Zentrum um ein NV Zentren in Diamant.
Bevorzugt handelt es sich im Speziellen bei dem paramagnetischen Zentrum um ein NV Zentren in Diamant handelt und bei dem Diamanten um einen Diamanten mit einem zumindest lokalen Gehalt von NV-Zentren in einem Bereich von 0.1ppm bis 500 ppm. Bevorzugt handelt es sich im Speziellen bei dem paramagnetischen Zentrum um ein NV Zentrum in Diamant und bei dem Diamanten um einen mittels eines High-Pressure- High - Temperature Verfahrens künstlich hergestellten Diamanten.
In einigen Anwendungen ist die Bewegung der ersten Quelle (MQ1) relativ zum diamagnetischen Material (MPZ) periodisch. Dies trifft beispielsweise auf die Stahlseite einer Elektrogitarre zu. Analog kann das auch als eine periodische Bewegung der ersten Quelle (MQ1) relativ zum diamagnetischen Material (MPZ) begriffen werden, die auf einer mechanischen Schwingung und/oder Rotation zumindest eines Vorrichtungsteils des mechanischen System (MS), also beispielsweise der besagten Saite, beruht. Es handelt sich dann um eine Bewegung der ersten Quelle (MQ1) relativ zum diamagnetischen Material (MPZ), die periodisch ist und die auf einer mechanischen Schwingung und/oder Rotation zumindest eines Vorrichtungsteils des mechanischen System (MS) beruht. Dabei ist dieser Vorrichtungsteil und/oder das mechanische System (MS) beispielsweise eine schwingende Seite eines Musikinstruments oder ein Probekörper einer Messvorrichtung (beispielsweise eines Drehpositionssensors) oder ein Rad oder ein Zahnrad oder eine kreisförmige Scheibe oder ein Rotor oder anderer Vorrichtungsteil eines Motors, insbesondere eines Elektromotors oder eines Verbrennungsmotors oder einer Turbine oder eines Raketentriebwerks, oder ein anderer rotierender oder schwingender Vorrichtungsteil eines Motors, insbesondere eines Elektromotors oder eines Verbrennungsmotors oder einer Turbine oder eines Raketentriebwerks, oder ein rotierender Vorrichtungsteil eines Fahrzeugs oder ein rotierender Vorrichtungsteile einer Maschine oder die Messscheibe einer Winkelmessvorrichtung eine schwingende Membrane oder ein schwingender Gebäudeteil oder ein schwingender Erdbodenteil. Die Erfindung betrifft also auch Mikrophone, Seismometer, Geophone, Tachometer, Rotorpositionssensoren für Motoren sowie deren Regelvorrichtungen etc.
Statt einer periodischen Bewegung kommt auch eine aperiodische Bewegung in Frage. Die Bewegung der ersten Quelle (MQ1) relativ zum diamagnetischen Material (MPZ) ist dann nicht periodisch. Die Bewegung kann dann beispielsweise auf dem Prozess einer mechanischen Verformung, beispielsweise als Sensor bei einem Unfall, und/oder nicht periodischen Bewegung und/oder stoßförmigen Positionsveränderung zumindest eines Vorrichtungsteils des mechanischen System (MS) beruhen. Analog kann eine Bewegung der ersten Quelle (MQ1) relativ zum diamagnetischen Material (MPZ) nicht periodisch sein und auf dem Prozess einer mechanischen Verformung und/oder nicht periodischen Bewegung und/oder stoßförmigen Positionsveränderung zumindest eines Vorrichtungsteils des mechanischen System (MS) beruhen. Dabei kann dieser Vorrichtungsteil und/oder das mechanische System (MS) beispielsweise ein Vorrichtungsteil eines Geschosses oder ein Geschoss, ein Vorrichtungsteil eines Fahrzeugs oder ein Vorrichtungsteil eines Flugzeugs oder ein Vorrichtungsteil einer Rakete oder ein Vorrichtungsteil eines Schiffes oder Schwimmkörpers oder ein Vorrichtungsteil eines Bedienelements oder eine Person oder ein an einer Person befestigter oder von einer Person mitgeführter Vorrichtungsteil oder ein Tier oder ein an einem Tier befestigter oder von einem Tier mitgeführter Vorrichtungsteil oder eine Pflanze oder ein an einer Pflanze befestigter Vorrichtungsteil oder ein Vorrichtungsteil eines Reaktors oder ein anderer Vorrichtungsteil eines Motors, insbesondere eines Elektromotors oder eines Verbrennungsmotors oder einer Turbine oder eines Raketentriebwerks, oder ein Vorrichtungsteil eines Fahrzeugs oder ein Vorrichtungsteile einer Maschine oder eine Messscheibe einer Winkelmessvorrichtung ein bewegbares Maschinenelement oder ein sich bewegendes Gebäudeteil, insbesondere Tore und/oder Türen und/oder Fenster, oder ein sich bewegender Erdbodenteil sein.
In einer weiteren Variante des Vorschlags wird eine Vorrichtung zum hochfrequenten Vermessen und Auslesen des mittels eines Quantensensors ermittelten Messwert zumindest eines alternierenden elektrischen oder magnetischen Feldes vorgeschlagen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die alternierenden Felder durch ein schwingendes mechanisches System hervorgerufen werden und die zuvor beschriebenen Verfahren zum Einsatz kommen.
Im Falle des beispielhaften Musikinstruments kann das schwingende mechanische System durch eine schwingende Saite aus ferromagnetischem Material ausgebildet sein, wobei die magnetische Flussdichte der Saite bevorzugt durch einen permanenten oder einen elektrisch erzeugten Magneten verstärkt wird. Der besondere Vorteil ist, dass es praktisch keine Rückwirkung von der vorgeschlagenen Vorrichtung auf die Saite des Musikinstruments gibt und dass die Vorrichtung keinen Tiefpass, wie beispielsweise ein induktiver Tonaufnehmer, darstellt.
Auch kann man die Vorrichtung und das Verfahren als Mikrofon verwenden. In dem Fall wird beispielsweise das schwingende mechanische System durch eine magnetische oder elektrisch geladene Membran gebildet.
Im Gegensatz zum Stand der Technik kann der quantenmechanische Sensor, also der Kristall mit dem paramagnetischen Zentrum, insbesondere beispielsweise der NV-zentren-haltige Diamant, durch einen Lichtwellenleiter sowohl von der Bestrahlungsquelle, die die Anregungsstrahlung erzeugt, als auch dem Detektor der Fluoreszenz, also beispielsweise der Fotodiode, bzw. des Photonenstroms räumlich getrennt werden.
Als eigentliche Anwendung wird hier ein Musikinstrument vorgeschlagen, dass sich dadurch kennzeichnet, dass eine oder mehrere der zuvor beschriebenen Vorrichtungen Teil des Musikinstruments sind oder dass zumindest eine seiner Teilvorrichtungen ein zuvor beschriebenes Verfahren ausführt. Besonders bevorzugt ist dabei das mechanische System (MS) einer schwingungsfähigen Saite, insbesondere eine Stahlsaite. Das Musikinstrument ist bevorzugt ein Zupfinstrument oder ein Streichinstrument.
Vorzugsweise wird die Anordnung so gewählt, dass eine optimale Ausleuchtung des Materials mit paramagnetischen Zentren und eine optimale Detektion des Fluoreszenzsignals bei gleichzeitiger hoher Variation eines Feldes aufgrund des schwingenden Systems (MG1+MS) erreicht wird. Optional kann eine zweite ortsfeste Feldstärke genutzt werden, um die Änderung des Fluoreszenzsignals zu verstärken (MG2).
Vorzugsweise wird als Material mit paramagnetischen Zentren, Diamant mit NV Zentren verwendet und die Summe der magnetischen Flussdichten von MG1 und MG2 in einem Bereich von 0.1 mT- 50mT ausgewählt. Dieses Signal des lichtempfindlichen Detektors (PD) wird mittels einer elektrischen Zuleitung (EZ2) zu der Ansteuer- und Auswerteinheit geführt (LIV). Vorzugsweise besteht die Ansteuer- und Auswerteinheit aus einem Lock-In-Verstärker.
Für einen Tonabnehmer ist es vorteilhaft, wenn der Detektor oder ein Detektor die Fluoreszenzstrahlung mehrerer paramagnetischer Zentren, die in mehreren Kristallen angeordnet sind, überlagernd empfängt und wenn mehrere paramagnetische Zentren, die in mehreren Kristallen angeordnet sind, mit der Anregungsstrahlung (AS) aus einer Leuchtquelle (LQ) bestrahlt werden können. Dies ist beispielhaft in 6 dargestellt.
Merkmale der Erfindung
Die folgenden Merkmale sind durchnummeriert. Die Beanspruchung ergibt sich aber aus den Ansprüchen.
Merkmal 1: Quantentechnologische Vorrichtung aufweisend
ein Sensorelement,
wobei das Sensorelement einen Kristall mit einer Kristallachse aufweist und
wobei der Kristall ein paramagnetisches Zentrum in dem Kristall aufweist,
wobei das Sensorsystem die Möglichkeit oder Mittel aufweist, das paramagnetische Zentrum mittels Anregungsstrahlung anzuregen und wobei das paramagnetische Zentrum in Bezug zu einer betreffenden Kristallachse, insbesondere einer der folgenden betreffenden Kristallachsen, in einer ersten Richtung ausgerichtet ist und
wobei insbesondere die betreffenden Kristallachsen die Kristallachsen [100], [010], [001], [111] des Kristalls und deren Äquivalente (wie z.B. [-100], [-1,-1,-1] etc.) sind und
wobei das paramagnetische Zentrum bei Anregung durch die Anregungsstrahlung eine Fluoreszenzstrahlung emittiert und
wobei die Fluoreszenzstrahlung in Abhängigkeit von einem Magnetfeld mit einer magnetischen Flussdichte B in einer zweiten Richtung moduliert wird und
wobei die zweite Richtung von der ersten Richtung abweicht.
Merkmal 2. Vorrichtung nach Merkmal 1,
wobei es sich bei dem Kristall um einen Diamantkristall mit einem NV-Zentrum als paramagnetisches Zentrum handelt.
Merkmal 3. Vorrichtung nach Merkmal 2,
wobei die zweite Richtung von der ersten Richtung in der Art abweicht, dass das GSLAC-Extremum bei einer magnetischen Gesamtflussdichte am Ort des paramagnetischen Zentrums bei 102,4mT um nicht mehr als 2% und/oder nicht mehr als 1% und/oder nicht mehr als 0,5% vom normierten 1-Wert der Fluoreszenz abweicht.
Merkmal 4. Verfahren zum Betrieb einer quantentechnologischen Vorrichtung umfassend die Schritte
Bereitstellen eines Sensorelements,
wobei das Sensorelement einen Kristall mit einer Kristallachse aufweist und wobei der Kristall ein paramagnetisches Zentrum in dem Kristall aufweist
Bestrahlen des paramagnetischen Zentrums mit Anregungsstrahlung mit einer ersten Wellenlänge Emittieren von Fluoreszenzstrahlung in Abhängigkeit von der Anregungsstrahlung und in Abhängigkeit von dem Wert einer magnetischen Gesamtflussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums bezogen auf ein ruhendes Koordinatensystem mit Koordinatenursprung in dem paramagnetischen Zentrum Erfassen zumindest eines Teils der Fluoreszenzstrahlung und Ermittlung eines Werts der Fluoreszenzstrahlung
gekennzeichnet dadurch,
dass das paramagnetische Zentrum in Bezug zu einer betreffenden Kristallachse, insbesondere zu einer der folgenden betreffenden Kristallachsen, in einer ersten Richtung ausgerichtet ist, wobei insbesondere die betreffenden Kristallachsen die Kristallachsen [100], [010], [001], [111] des Kristalls und deren Äquivalente (wie z.B. [-100], [-1,-1,-1] etc.) sind, und
dass der Vektor der magnetischen Flussdichte B in eine zweite Richtung weist wird und
dass diese zweite Richtung von der ersten Richtung abweicht.
Merkmal 5. Verfahren nach Merkmal 4,
wobei es sich bei dem Kristall um einen Diamantkristall mit einem NV-Zentrum als paramagnetisches Zentrum handelt.
Merkmal 6. Verfahren nach Merkmal 5,
wobei die zweite Richtung von der ersten Richtung in der Art abweicht, dass das GSLAC-Extremum bei einer magnetischen Gesamtflussdichte am Ort des paramagnetischen Zentrums bei 102,4mT um nicht mehr als 2% und/oder nicht mehr als 1% und/oder nicht mehr als 0,5% vom normierten 1-Wert der Fluoreszenz abweicht.
Merkmal 7. Verfahren zur Wandlung
von akustischen oder anderen mechanischen Schwingungen und/oder Positionsinformationen und/oder Positionsänderungsinformationen in optische Signale und/oder digitale elektrische Signale und/oder analoge elektrische Signale,
mit den Schritten,
Erzeugen einer mit einem ersten Modulationssignal, das konstant sein kann, modulierten magnetischen Flussdichte B oder einer mit dem ersten Modulationssignal modulierten magnetischen Feldstärke H;
Erfassen dieser modulierten magnetischen Flussdichte B oder dieser modulierten magnetischen Feldstärke H mittels einer auf
paramagnetischen Zentren in einem diamagnetischen Material, beruhenden Vorrichtung und Wandlung des erfassten Werts der modulierten magnetischen Flussdichte B oder des erfassten Werts der modulierten magnetischen Feldstärke H in ein optisches Signal und/oder ein digitales elektrisches Signal und/oder ein analoges elektrisches Signal mittels dieser Vorrichtung.
Merkmal 8. Verfahren nach Merkmal 7,
wobei es sich bei dem diamagnetischen Material um einen Diamantkristall handelt und
wobei es sich bei dem paramagnetischen Zentrum um ein NV-Zentrum handelt.
Merkmal 9. Verfahren nach Merkmal 7 und/oder 8,
wobei als paramagnetisches Zentrum ein Farbzentrum verwendet wird.
Merkmal 10. Verfahren nach einem oder mehreren der Merkmale 7 bis 9 umfassend den zusätzlichen Schritt der
Modulation der magnetischen Flussdichte B oder der magnetischen Feldstärke H am Ort des paramagnetischen Zentrums durch ein Objekt.
Merkmal 11. Verfahren nach einem oder mehreren der Merkmale 7 bis 10 umfassend den zusätzlichen Schritt des
Erzeugens des ersten Modulationssignals mittels eines mechanischen Systems.
Merkmal 12. Verfahren nach einem oder mehreren der Merkmale 7 bis 11 umfassend den zusätzlichen Schritt des
Erzeugens des modulierten optischen Signals mittels einer Fluoreszenz des paramagnetischen Zentrums, deren Modulation von der Modulation der modulierten magnetischen Flussdichte oder von der Modulation der modulierten magnetischen Feldstärke abhängt.
Merkmal 13. Verfahren nach einem oder mehreren der Merkmale 7 bis 12,
wobei die paramagnetischen Zentren eine von der Änderung der magnetischen Flussdichte B und/oder von der Änderung der magnetischen Feldstärke H abhängige Änderung einer von ihnen emittierten Fluoreszenzstrahlung und/oder eine von der Änderung der magnetischen Flussdichte B und/oder von der Änderung der magnetischen Feldstärke H abhängige Änderung der Menge der von Ihnen erzeugten Fotoelektronen nach Bestrahlung des diamagnetischen Materials mit visuellem Licht und mit Mikrowellenstrahlung zeigen oder wobei die paramagnetischen Zentren eine von der Änderung der magnetischen Flussdichte B und/oder von der Änderung der
magnetischen Feldstärke H abhängige Änderung der von ihren emittierten Fluoreszenzstrahlung und/oder eine von der Änderung der magnetischen Flussdichte B und/oder von der Änderung der magnetischen Feldstärke H abhängige Änderung der Menge der von ihnen erzeugten Fotoelektronen nach Bestrahlung des diamagnetischen Materials nur mit visuellem Licht und ohne Mikrowellenstrahlung zeigen.
Merkmal 14. Verfahren nach einem oder mehreren der Merkmale 7 bis 13,
wobei die Fluoreszenzstrahlung von paramagnetischen Zentren oder eine Menge an Photoelektronen, die durch paramagnetische Zentren erzeugt werden, in einem Diamanten mit einer zumindest lokalen NV Zentrumskonzentration innerhalb des Diamanten von mindestens 0,0001 ppm, und/oder von mindestens 0,001 ppm und/oder bevorzugt von mindestens 0,01 ppm und/oder von mindestens 0,1 ppm bezogen auf die Menge der Diamantkohlenstoffatome erzeugt wird.
Merkmal 15. Verfahren nach einem oder mehreren der Merkmale 7 bis 14,wobei ein zur Fluoreszenz moduliertes Licht euner mittels eines zweiten Modulationssignals amplitudenmodulierte Lichtquelle, insbesondere ein gepulster Laser, mit einer unteren Modulationsfrequenz des zweiten Modulationssignals von mindestens 1 kHz und/oder mindestens 10kHz und/oder mindestens 100kHz und/oder mindestens 1MHz und/oder mindestens 10MHz genutzt wird.
Merkmal 16. Verfahren nach Merkmal 15,
wobei paramagnetische Zentren eine modulierte Fluoreszenzstrahlung emittieren, die von dem modulierten Licht der modulierten Lichtquelle abhängt.
Merkmal 17. Verfahren nach Merkmal 16,
wobei die modulierte Fluoreszenzstrahlung mit einem lichtempfindlichen elektronischen Bauelement, insbesondere einer Fotodiode, erfasst wird und in ein moduliertes Empfangssignal gewandelt wird.
Merkmal 18. Verfahren nach Merkmal 17, umfassend die zusätzlichen Schritte
der Wandlung des modulierten Empfangssignals mittels eines Synchrondemodulators und/oder eines Lock-In-Verstärkers und/oder mittels einer anderen Vorrichtung, die ein Pegelsignal mittels Skalar-Produktbildung zwischen einerseits dem zweiten Modulationssignal oder einem aus dem zweiten Modulationssignal gebildeten abgeleiteten Modulationssignal und andererseits dem Empfangssignal bildet und
der Verwendung des Pegelsignals oder eines daraus abgeleiteten Pegelsignals als Sensorsignal.
Merkmal 19. Verfahren nach Merkmal 18, umfassend den zusätzlichen Schritt
der Erzeugung des abgeleiteten Modulationssignals aus dem zweiten Modulationssignal durch Phasenverschiebung.
Merkmal 20. Verfahren nach einem oder mehreren der Merkmale 7 bis 19,
wobei das zweite Modulationssignal einen von Null verschiedenen spektralen Frequenzanteil mit einer unteren Frequenzbereichsgrenzfrequenz von kleiner 1kHz und/oder kleiner 100Hz und/oder kleiner 10Hz und/oder kleiner 1Hz von mindenstens 1 Hz und
mit einer oberen Frequenzbereichsgrenzfrequenz von größer 1MHz und/oder größer 10MHz und/oder größer 100MHz und/oder größer 1GHz und/oder größer 10GHz
aufweist.
Merkmal 21. Verfahren nach einem oder mehreren der Merkmale 7 bis 20, umfassend den zusätzlichen Schritt
der Erzeugung der mit dem ersten Modulationssignal modulierten magnetischen Flussdichte oder der mit dem ersten Modulationssignal modulierten magnetischen Feldstärke mittels einer ersten Quelle (MG1) eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes, das mit dem mechanischen System gekoppelt ist
Merkmal 22. Verfahren nach einem oder mehreren der Merkmale 7 bis 21, umfassend den zusätzlichen Schritt
Erzeugung einer magnetischen Flussdichte und/oder magnetischen Feldstärke, die der modulierten magnetischen Flussdichte oder der mit dem ersten Modulationssignal modulierten magnetischen Feldstärke summierend überlagert ist mittels einer zweiten Quelle (MG2) eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes, das mit dem
mechanischen System nicht gekoppelt ist
Merkmal 21. Verfahren nach einem oder mehreren der Merkmale 7 bis 22, umfassend den zusätzlichen Schritt
des Einstellens des Arbeitspunktes zur Nutzung des paramagnetischen Zentrums durch Verwendung einer zweiten Quelle (MG2) in Kombination mit einer ersten Quelle (MG1).
Merkmal 23. Vorrichtung
mit einer Leuchtquelle (LQ) und
mit einem diamagnetischen Material (MPZ) und mit einem Detektor (PD) und
mit einem mechanischen System (MS) und mit einer ersten Quelle (MQ1),
wobei das diamagnetischen Material ein paramagnetisches Zentrum aufweist und
wobei die Leuchtquelle (LQ) eine für das paramagnetische Zentrum geeignete Anregungsstrahlung abstrahlt und wobei das paramagnetische Zentrum von der Anregungsstrahlung bestrahlt wird und Fluoreszenzstrahlung ausstrahlt und wobei die erste Quelle (MQ1) mit dem mechanischen System (MS) gekoppelt ist und
wobei das mechanische System (MS) eine Bewegung der ersten Quelle (MQ1) relativ zum diamagnetischen Material (MPZ) zulässt und/oder verursacht und
wobei der Detektor (PD) die Fluoreszenzstrahlung erfasst und in ein Empfangssignal wandelt.
Merkmal 24. Vorrichtung nach Merkmal 23,
mit einem Filter (F1),
wobei der Filter (F1) im Wesentlichen verhindert, dass Anregungsstrahlung den Detektor (PD) erreicht, und
wobei der Filter (F1) im Wesentlichen nicht verhindert, dass Fluoreszenzstrahlung den Detektor (PD) erreicht.
Merkmal 25. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Merkmale 23 bis 24
wobei die Anregungsstrahlung eine Wellenlänge zwischen 500-600 nm besitzt.
Merkmal 26. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Merkmale 23 bis 25
wobei es sich bei dem diamagnetischen Material (MPZ) um Diamant handelt.
Merkmal 27.Vorrichtung nach einem oder mehreren der Merkmale 23 bis 26,
wobei es sich bei dem paramagnetischen Zentrum um ein NV Zentren in Diamant handelt.
Merkmal 28. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Merkmale 23 bis 27,
wobei es sich bei dem paramagnetischen Zentrum um ein NV Zentren in Diamant handelt und
bei dem Diamanten um einen Diamanten mit einem zumindest lokalen Gehalt von NV-Zentren in einem Bereich von 0.1ppm bis 500 ppm.
Merkmal 29. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Merkmale 23 bis 28,
wobei es sich bei dem paramagnetischen Zentrum um ein NV Zentren
in Diamant handelt und
wobei es sich bei dem Diamanten um einen mittels eines High-Pressure- High - Temperature Verfahrens künstlich hergestellten Diamant handelt.
Merkmal 30. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Merkmale 23 bis 29,
wobei eine Bewegung der ersten Quelle (MQ1) relativ zum diamagnetischen Material (MPZ) periodisch ist.
Merkmal 31. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Merkmale 23 bis 30,
wobei eine Bewegung der ersten Quelle (MQ1) relativ zum diamagnetischen Material (MPZ) periodisch ist und auf einer mechanischen Schwingung und/oder Rotation zumindest eines Vorrichtungsteils des mechanischen System (MS) beruht.
Merkmal 33. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Merkmale 23 bis 31,
wobei eine Bewegung der ersten Quelle (MQ1) relativ zum diamagnetischen Material (MPZ) periodisch ist und auf einer mechanischen Schwingung und/oder Rotation zumindest eines Vorrichtungsteils des mechanischen System (MS) beruht und wobei dieser Vorrichtungsteil und/oder das mechanische System (MS) eine schwingende Seite eines Musikinstruments oder ein Probekörper einer Messvorrichtung oder
ein Rad oder
ein Zahnrad oder
eine kreisförmige Scheibe oder ein Rotor oder anderer Vorrichtungsteil eines Motors, insbesondere eines Elektromotors oder eines Verbrennungsmotors oder einer Turbine oder eines Raketentriebwerks, oder
ein anderer rotierender oder schwingender Vorrichtungsteil eines Motors, insbesondere eines Elektromotors oder eines Verbrennungsmotors oder einer Turbine oder eines Raketentriebwerks, oder
ein rotierender Vorrichtungsteil eines Fahrzeugs oder ein rotierender Vorrichtungsteile einer Maschine oder die Messscheibe einer Winkelmessvorrichtung
ein schwingender Gebäudeteil oder ein schwingender Erdbodenteil oder ist
Merkmal 34. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Merkmale 23 bis 32,
wobei die Bewegung der ersten Quelle (MQ1) relativ zum diamagnetischen Material (MPZ) nicht periodisch ist.
Merkmal 35. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Merkmale 23 bis 34,
wobei eine Bewegung der ersten Quelle (MQ1) relativ zum diamagnetischen Material (MPZ) nicht periodisch ist und
auf dem Prozess einer mechanischen Verformung und/oder nicht periodischen Bewegung und/oder stoßförmigen Positionsveränderung zumindest eines Vorrichtungsteils des mechanischen System (MS) beruht.
Merkmal 36. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Merkmale 23 bis 35,
wobei eine Bewegung der ersten Quelle (MQ1) relativ zum diamagnetischen Material (MPZ) nicht periodisch ist und
auf dem Prozess einer mechanischen Verformung und/oder nicht periodischen Bewegung und/oder stoßförmigen Positionsveränderung zumindest eines Vorrichtungsteils des mechanischen System (MS) beruht und
wobei dieser Vorrichtungsteil und/oder das mechanische System (MS)
ein Vorrichtungsteil eines Geschosses oder
ein Vorrichtungsteil eines Fahrzeugs oder

ein Vorrichtungsteil eines Flugzeugs oder
ein Vorrichtungsteil einer Rakete oder
ein Vorrichtungsteil eines Schiffes oder Schwimmkörpers oder
ein Vorrichtungsteil eines Bedienelements oder
eine Person oder ein an einer Person befestigter oder von einer Person mitgeführter Vorrichtungsteil oder
ein Tier oder ein an einem Tier befestigter oder von einem Tier mitgeführter Vorrichtungsteil oder
eine Pflanze oder ein an einer Pflanze befestigter Vorrichtungsteil oder ein Vorrichtungsteil eines Reaktors oder
ein andererVorrichtungsteil eine Motors, insbesondere eines Elektromotors oder eines Verbrennungsmotors oder einer Turbine oder eines Raketentriebwerks, oder
ein Vorrichtungsteil eines Fahrzeugs oder
ein Vorrichtungsteile einer Maschine oder
eine Messscheibe einer Winkelmessvorrichtung
ein bewegbares Maschinenelement oder
ein sich bewegendes Gebäudeteil, insbesondere Tore und/oder Türen und/oder Fenster, oder
ein sich bewegender Erdbodenteil oder
ist.
Merkmal 37. Vorrichtung zum hochfrequenten Auslesen mittels eines Quantensensors zumindest eines alternierenden elektrischen oder magnetischen Feldes, dadurch gekennzeichnet, dass die alternierenden Felder durch ein schwingendes mechanisches System hervorgerufen werden und Verfahren nach Merkmal 7 bis 22 zum Einsatz kommen.
Merkmal 38. Vorrichtung nach Merkmal 37, dadurch gekennzeichnet, dass das schwingende mechanische System durch eine schwingende Saite aus ferromagnetischem Material ausgebildet ist, wobei die magnetische Flussdichte der Saite bevorzugt durch einen permanenten oder einen elektrisch erzeugten Magneten verstärkt wird.
Merkmal 39. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Merkmale 37 bis 38,
dadurch gekennzeichnet, dass das schwingende mechanische System durch eine magnetische oder elektrisch geladene Membran verursacht wird.
Merkmal 40. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Merkmale 37 bis 39,
dadurch gekennzeichnet, dass der quantenmechanische Sensor, beispielsweise der NV-haltige Diamant, durch einen Lichtwellenleiter sowohl von der Bestrahlungsquelle als auch dem Detektor der Fluoreszenz bzw. des Photonenstroms räumlich getrennt wird.
Merkmal 41. Vorrichtung dadurch gekennzeichnet,
dass es eine Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Merkmale 23 bis 40 und/oder einem oder mehreren der Merkmale 1 bis 3 umfasst oder ist und/oder dass zumindest eine seiser Teilvorrichtungen ein

Verfahren nach einem oder mehreren der Merkmale 4 bis 22 ausführt, und
dass der Detektor oder ein Detektor die Fluoreszenzstrahlung mehrerer paramagnetischer Zentren, die in mehreren Kristallen angeordnet sind, überlagernd empfängt.
Merkmal 42.. Vorrichtung dadurch gekennzeichnet,
dass es eine Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Merkmale 23 bis 41 und/oder einem oder mehreren der Merkmale 1 bis 3 umfasst
oder ist und/oder dass zumindest eine seiner Teilvorrichtungen ein Verfahren nach einem oder mehreren der Merkmale 4 bis 22 ausführt, und
dadurch gekennzeichnet, dass mehrere paramagnetische Zentren, die in mehreren Kristallen angeordnet sind, mit der Anregungsstrahlung (AS) aus einer Leuchtquelle (LQ) bestrahlt werden können.
Merkmal 43. Musikinstrument
dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Merkmale 23 bis 40 und/oder einem oder mehreren der Merkmale 1 bis 3 umfasst oder ist und/oder dass zumindest eine seiner Teilvorrichtungen ein Verfahren nach einem oder mehreren der Merkmale 4 bis 22 ausführt
Merkmal 44 Musikinstrument nach Merkmal 43
wobei das mechanische System (MS) eine schwingungsfähige Saite ist.
Merkmal 45 Musikinstrument nach Merkmal 44
wobei es ein Zupfinstrument oder ein Streichinstrument ist.
Merkmal 46 Vorrichtung
mit einer Leuchtquelle (LQ) und
mit einem diamagnetischen Material (MPZ) und

mit einem Detektor (PD) und
mit einem mechanischen System (MS) und
mit einer ersten Quelle (MQ1),
wobei das diamagnetischen Material ein paramagnetisches Zentrum aufweist und
wobei (LQ) eine für das paramagnetiches Zentrum
geeignete Anregungsstrahlung abstrahlt und wobei das paramagnetische Zentrum von der Anregungsstrahlung bestrahlt wird und Fluoreszenzstrahlung ausstrahlt und wobei die erste Quelle (MQ1) mit dem mechanischen System (MS) gekoppelt ist und
wobei das mechanische System (MS) eine Bewegung der ersten Quelle (MQ1) relativ zum diamagnetischen Material (MPZ) zulässt und/oder verursacht und
wobei der Detektor (PD) die Fluoreszenzstrahlung erfasst und in ein Empfangssignal wandelt.
Vorteil
Die Detektion und Aufzeichnung akustisch mechanischer Schwingungen kann achromatisch durchgeführt werden ohne die mechanischen Schwingungen zu beeinflussen. Zudem zeigen die Sensoren keine Alterungserscheinungen, sind in rauen Umgebungen wie Luft mit hohen Salzwasserkonzentrationen, bei ionisierender Strahlung oder bei hoher Temperatur einsetzbar. Die Sensoren können auf ein Volumen von 10 µm³ miniaturisiert werden und der Sensor ist durch einen Lichtleiter von der elektrischen Auswerteinheit getrennt, so dass er beispielsweise für medizinische Zwecke eingesetzt werden kann.
Figurenliste
Die Merkmale und weiteren Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Zusammenhang mit den Figuren deutlich. Dabei zeigen rein schematisch:

1 zeigt den Aufbau des Schwingungssensors nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem an einem schwingenden System gekoppelten Magnetfeld.
2 zeigt die Ausführung des Sensors gekoppelt an ein mechanisch schwingendes System mit einem ortsfesten Magnetfeld.
3 zeigt eine Ausführung mit direkter Auslesung der Photoelektronen.
4 zeigt den Sensor, in dem das Material mit paramagnetischen Zentren von der Lichtquelle (LQ) und lichtempfindlichem Detektor (PD) durch jeweils einen optischen Lichtwellenleiter (LWL) getrennt ist.
5 zeigt den Sensor, in dem das Material mit paramagnetischen Zentren von der Lichtquelle (LQ) und dem lichtempfindlichen Detektor (PD) durch einen optischen Lichtwellenleiter (LWL) getrennt ist.
6 zeigt eine Ausführung des Sensors mit mehreren Messsystemen und einer elektronischen Auswerteinheit.
7 zeigt den Aufbau eines Tonabnehmers einer Gitarre nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
8 zeigt das Lumineszenzverhalten in Abhängigkeit von der magnetischen Flussdichte B wie es nur bei Ausrichtung der Kristalle beobachtet werden kann, wobei insbesondere die in der 8 erkennbaren Resonanzpunkte (Peaks) nur bei Ausrichtung der Magnetfeldrichtung zur Kristallachse erkennbar sind.
9 zeigt den sich ergebenden Verlauf der 8 nun aber bei Dekalibrierung der Ausrichtung (also einer unterschiedlichen ersten und zweiten Richtung).

Bezugszeichenliste

MPZ: Diamagnetisches Material mit paramagnetischen Zentren (vorzugsweise Diamant mit NV-Zentren) des Sensorelements. Die paramagnetischen Zentren strahlen bei Bestrahlung mit Anregungsstrahlung der LQ Fluoreszenzlicht (FL) ab. Diese Fluoreszenzstrahlung eines parametrischen Zentrums hängt dabei vorzugsweise von der magnetischen Flussdichte am Ort des jeweiligen paramagnetischen Zentrums ab. Die Kristallausrichtung des Materials des Sensorelements kann diese Abstrahlung typischerweise und die Abhängigkeit dieser Abstrahlung des Fluoreszenzlichts (FL) vom magnetischen Fluss beeinflussen. Bei dem paramagnetischen Zentrum handelt es sich bevorzugt um ein NV Zentrum. Bei dem Material handelt es sich bevorzugt um Diamant.
MS: Schematische Darstellung eines mechanisch schwingenden Systems in einem Frequenzbereich von 1 Hz bis zu 100 MHz. Vorzugsweise kann es sich um einen Resonanzkörper eines Musikinstrumentes oder einer schwingenden gespannten Saite handeln. Andere Ausführungen sind z.B. ein schwingendes mechanisches Bauelement oder organisch bewegliches Körperteil. Vorzugweise besitzen die Schwingungen einen harmonischen Anteil.
MG1: Quelle zur Erzeugung eines magnetischen oder elektrischen Feldes, das sich nicht im Bezugsystem des Sensors befindet, so dass in Kombination mit dem schwingenden System ein alternierendes elektromagnetisches Feld erzeugt wird, beispielweise ein magnetisiertes ferromagnetisches Material, eine Gitarrensaite oder ein permanenter Magnet. In einer weiteren Ausführungsform kann es sich um eine elektrisch geladene Struktur handeln. Vorzugweise erzeugt die Quelle ein statisches magnetisches Feld, wenn das Gesamtsystem nicht in mechanische Schwingungen versetzt wird und besitzt am Ort des Diamanten mit NV-Zentren zusammen mit MG2 eine magnetische Flussdichte von 1-20 mT in einer zur Achse der NV-Zentren unterschiedlichen Richtung.
MG2: Optionale Quelle zur Erzeugung eines magnetischen oder elektrischen Feldes, das sich im Bezugsystem des Sensors in Ruhe befindet. Beispielweise ein magnetisiertes ferromagnetisches Material oder ein permanenter Magnet. Vorzugweise erzeugt die Quelle ein statisches magnetisches Feld, wenn das Gesamtsystem nicht in mechanische Schwingungen versetzt wird. Die Magnetfeldstärke wird so gewählt, dass zusammen mit MG1 eine optimale Änderung der Fluoreszenz für das diamagnetische Material mit paramagnetischen Zentren erreicht wird. Vorzugsweise ist ein magnetisches statisches Feld zu wählen, das am Ort des MPZ eine magnetische Flussdichte von 1-20 mT in einer zur NV-Achse unterschiedlichen Richtung aufweist.
LWL: Lichtwellenleiter zum selektiven Transport der elektromagnetischen Anregungsquelle oder des Fluoreszenzsignals. Vorzugsweise ist der Lichtwellenleiter den Umgebungsbedingungen wie hohen Temperaturen oder Strahlungsfeldern anzupassen und erreicht sowohl für die Anregung als auch für die Fluoreszenz eine optimale Übertragungsleistung.
LWL 1: Lichtwellenleiter zum selektiven Transport der elektromagnetischen Anregungsquelle. Vorzugsweise als Lichtleiter mit einer auf der Wellenlänge der Anregungslichtquelle optimalen Übertragungsleistung.
LWL2: Lichtwellenleiter zum selektiven Transport des elektromagnetischen Fluoreszenzsignals. Vorzugsweise mit einer auf die Wellenlänge der Fluoreszenz optimalen Übertragungsleistung.
EZ1: Elektrische Zuleitung zur Lichtquelle.
EZ2: Elektrische Zuleitung zum Photodetektor.
PD: Photodetektor zur selektiven Detektion des Fluoreszenzsignals.
KT: Struktur zum Aufsammeln von Photoelektronen.
LQ: Lichtquelle zur Anregung magnetischer oder elektrischer sensitiver paramagnetischer Zentren vorzugsweise NV Zentren in Diamant. Die Wellenlänge der Lichtquelle ist so gewählt, dass das paramagnetische Zentrum eine fotostabile optimale Fluoreszenz erzeugt, um die Schwingungen des mechanisch schwingenden Systems zu detektieren. Vorzugweise für eine optimale Anregung des NV-Zentrums in einem Wellenlängenbereich von 500-600 nm. Vorzugsweise wird als Lichtquelle eine Laserdiode oder LED mit einer Wellenlänge von 550 nm oder 520nm genutzt.
AS: Das von der Lichtquelle erzeugte Anregungssignal, um die paramagnetischen Zentren zur Fluoreszenz anzuregen. Vorzugsweise wird das Anregungssignal gepulst, um die Fluoreszenz mit einem Loch-In Verstärker auszulesen und weiterzuverarbeiten.
FLS: Fluoreszenzsignale der paramagnetischen Zentren nach der Anregung.
F1: Optionaler Filter zur Auswahl einer für die Anregung optimal gewählter Wellenlänge zur Anregung der elektromagnetischen Felder sensitiver paramagnetischen Zentren. Vorzugweise in einem Bereich, der von dem des Fluoreszenzsignals abweicht.
F2: Optionaler Filter zur selektiven Auswahl des Fluoreszenzsignals. Vorzugsweise zur Unterdrückung des Anregungssignals.
DCS: Dichroitischer Spiegel zur selektiven Auswahl des Anregungsstrahls und des Fluoreszenzsignals.
LWK: Lichtwellenleiterkopplung der Lichtwellenleiter.
LIV: Einheit zur Ansteuerung der Leuchtquelle und Auslesens des Photodetektors (PD) oder der Photo-Elektronen (KT). Vorzugsweise wird ein Lock-In Verstärker zum Auslesen des Fluoreszenzsignals genutzt. Hierbei wird die
G: Lichtmenge der Leuchtquelle (LQ) mit einer Frequenz von 1Hz bis zu 100 MHz moduliert. Dieses Signal wird als Trägerfrequenz für den Lock-In Verstärker genutzt und mittels geeigneter elektronischer Einheiten in akustisch äquivalente Signale umgewandelt. Bevorzugt in einer allgemein üblichen standardisierten digitalen Form (z.B. mp3) oder als analoge elektrische Signale. Korpus einer E-Gitarre.
PU: Tonabnehmer mit sichtbaren Diamanten als Quantensensor.

Beschreibung der Figuren
1 In der 1 wird der Aufbau eines vorgeschlagenen Systems gezeigt. Sie umfasst eine elektrische Zuleitung (EZ1) und eine Leuchtquelle (LQ). Diese Leuchtquelle erzeugt vorzugsweise eine für paramagnetische Zentren in einem diamagnetischen Material optimale Anregung, ohne die Zentren zu zerstören, umzuladen oder in einen metastabilen Zustand zu versetzen. Vorzugsweise besitzt das Licht eine Wellenlänge zwischen 500-600 nm, um NV Zentren in Diamant anzuregen. Alternativ kann ein Filtermaterial (F1) genutzt werden, um aus einem elektromagnetischen Spektrum die für die Anregung optimalen Wellenlängen zu filtern. Das Anregungslicht wird dann zu einem Material mit paramagnetischen Zentren geleitet (MPZ). Vorzugweise handelt es sich um einen Diamanten mit hoher NV-Dichte. Vorzugsweise ein mittels High-Pressure-High-Temperature (mittels hohem Druck und hoher Temperatur) künstlich erzeugter Diamant mit einem Gehalt von NV-Zentren in einem Bereich von 0.1ppm bis 500 ppm. In einer weiteren Ausführungsform kann ein polykristalliner Diamant mit NV Zentren genutzt werden. Des Weiteren kann jede Ansammlung von kleinem diamanthaltigen Material genutzt werden. Voraussetzung ist, dass die Menge an Zentren in ausreichender Form vorhanden ist, so dass ein Fluoreszenzsignal mit ausreichender Stärke erzeugt wird, um die Detektion der Schwingungen festzustellen. Das Fluoreszenzsignal wird vorzugsweise mit Hilfe eines Filters von dem Anregungssignal (F2) getrennt und in einem der Fluoreszenz angepassten Detektor in ein elektrisches Signal umgewandelt (PD). Die Anordnung der Lichtquelle (LQ) und des Detektors (PD) zum Material mit paramagnetischen Zentren (MPZ) ist dabei willkürlich. So kann auch eine Anordnung mit Lichtquelle und Detektor auf einer Seite und dem Material mit paramagnetischen Zentren auf der anderen Seite genutzt werden. Vorzugsweise wird die Anordnung so gewählt, dass eine optimale Ausleuchtung des Materials mit paramagnetischen Zentren und eine optimale Detektion des Fluoreszenzsignals erreicht wird bei gleichzeitiger hoher Variation eines Feldes aufgrund des schwingenden Systems (MG1+MS). Optional kann eine zweite ortsfeste Feldstärke genutzt werden, um die Änderung des Fluoreszenzsignals zu verstärken (MG2). Vorzugsweise wird als Material mit paramagnetischen Zentren, Diamant mit NV Zentren verwendet und die Summe der magnetischen Flussdichten von MG1 und MG2 in einem Bereich von 0.1 mT- 50mT ausgewählt.
Dieses Signal des lichtempfindlichen Detektors (PD) wird mittels einer elektrischen Zuleitung (EZ2) zu der Ansteuer- und Auswerteinheit geführt (LIV). Vorzugsweise besteht die Ansteuer- und Auswerteinheit aus einem Lock-In-Verstärker.
2 In 2 wird ein alternativer Aufbau beschrieben, in dem die Sensoreinheit umfassend das Material mit paramagnetischen Zentren (MPZ), die Lichtquelle und den Filter (LQ+F1) und die Detektoreinheit und den Filter (PD+F2), an das ein schwingendes mechanisches System gekoppelt ist. Vorzugsweise wird eine ortsfeste Quelle für ein elektronisches oder magnetisches Feld (MG1) mit einer im gleichen Bezugsystem wie der Sensor befindlichen Quelle für ein elektrisches oder magnetisches Feld (MG2) kombiniert, um ein Fluoreszenzsignal in Bezug zu dem schwingenden System zu optimieren. Die Auswertung wird vorzugsweise über einen Lock-In Verstärker erreicht (LIV).
3 In 3 ist beispielhaft eine Anwendung des erfindungsgemäßem Verfahrens dargestellt in dem der lichtempfindliche Detektor (PD) ersetzt wird durch eine leitende Schicht, die auf dem Material mit paramagnetischen Zentren aufgebracht wird und in der Lage ist, die Photoelektronen zu sammeln und zu bestimmen (KT). Besondere Vorzüge ergeben sich, wenn die Schicht einen ohmschen Widerstand zu dem diamagnetischen Material mit einem hohen Schichtwiderstand, vorzugsweise Diamant mit NV Zentren, besitzt. Besitzt das Material einen geringen Widerstand wird vorzugsweise eine pn-Struktur oder ein Metall mit einem Schottky-Übergang zur Isolierung genutzt. Bevorzugt werden dünne Diamantschichten oder kleine Diamantstrukturen genutzt, um eine Abschirmung durch geladene Defektzentren zu minimieren. Um Photoelektronen durch eine doppelte Anregung zu erzeugen, wird die Intensität in einem gepulsten Strahl bevorzugt dadurch erreicht, dass bei gleichbleibender Intensität die Pulslängen verringert werden.
4 4 zeigt das Material mit paramagnetischen Zentren (MWZ) getrennt durch jeweils einen Lichtwellenleiter (LWL1) von der Anregungsquelle mit optionalem Filter (LQ+F1) und einem zweiten Lichtwellenleiter (LWL2) von der Detektoreinheit mit einem optionalen Filter (PD+F2). Vorzugsweise werden die Lichtwellenleiter so ausgewählt, dass sie eine optimale Übertragungsleistung für die jeweiligen unterschiedlichen Wellenlängen, für die Lichtquelle (LWL1) und für die Fluoreszenz (LWL2), zeigen.
5 5 entspricht dem Aufbau von 4 mit nur einem Lichtwellenleiter (LWL). Bevorzugt wird in diesem Aufbau ein Lichtwellenleiter mit einer großen Übertragungsleistung in einem Wellenlängenbereich, der das Licht für das Anregungs- (AS) und Fluoreszenzsignal (FLS) einschließt. Bevorzugt wird in diesem Aufbau ein Dichroitischer Spiegel (DCS) genutzt, um die Trennung von Fluoreszenzsignal (FLS) und Anregungssignal (AS) zu ermöglichen.
6 6 zeigt die Ausführung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer Anzahl n schwingender Systeme (MS-1.MS-2...MS-n) mit entsprechend gekoppelten Quellen für magnetische oder elektrostatische Felder (MG1-1, MG1-..., MG1-n) und diamagnetisches Material mit paramagnetischen Zentren (MZP-1, MZP-2, ...(MZP-n). Die n MZPs sind mittels Lichtwellenleiter (LWL1) an einer Lichtquelle (LQ) zur Erzeugung des Anregungssignals (AS) und einem Lichtwellenleiter (LWL2) zum Auslesen des Fluoreszenzsignals (FLS) verknüpft, so dass die Lichtwellenleiter jeweils mittels einer Lichtwellenkupplung (LWK) vereinigt werden. Die Lichtquelle (LQ) und der Detektor (PD) werden wie in 1 beschrieben durch eine Ansteuerungs- und Ausleseeinheit (LIV) verbunden. Bevorzugt werden, um eine optimale Ansteuerung der jeweiligen MZPs zu erreichen, zusätzlich zu den durch das schwingende mechanische System erzeugten alternierenden Feldern, elektrostatische oder magnetische Felder (MG2-1, MG2-2, .. MG2-n) überlagert. Dabei wir die Feldstärke so abgestimmt, dass der Sensor ein optimales Auslesen der akustisch oder anderer mechanischer Schwingungen erlaubt.
7 7 zeigt eine Gitarre als Anwendung der erfindergemäßen Vorrichtung. Vorzugsweise wird das Material mit paramagnetischen Zentren unterhalb der Saiten angebracht. Vorzugsweise wird als Material mit paramagnetischen Zentren Diamant mit einem hohen Gehalt an NV-Zentren eingesetzt. Vorzugweise ist der Diamant als Brilliant geschliffen und zeigt durch den hohen NV-Gehalt eine tiefrote Farbe. Vorzugsweise ist der Diamant erhaben in den Gitarren -Korpus eingelassen. Vorzugsweise werden Lichtleiter zum Einbringen des Anregungssignals und Auslesen der Fluoreszenz unterhalb des Diamanten durch den Korpus in einen Hohlraum geführt. In diesem Hohlraum befinden sich die Leuchtquelle und lichtempfindliche Detektoren, beispielsweise in dem Schaltungskonzept nach den Ausführungen in 6. Bevorzugt werden die akustisch äquivalenten Ausgangssignale über eine 6mm Klingenbuchse an der Oberseite des Korpus ausgeführt. In einer optionalen Ausführung werden die akustisch äquivalenten Ausgangssignale über eine elektromagnetische Welle nach gängigen Standards (WLAN, Bluetooth) drahtlos übertragen.
8 und 9 8 zeigt die Fluoreszenzkurve aus der zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Offenlegung unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2018 127 394.0 , deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich Teil dieser Offenlegung ist. In der 8 stimmen die erste Richtung und die zweite Richtung überein. 9 zeigt die Lumineszenz bei Verkippung der beiden Richtungen gegeneinander.
Durch eine Richtungsverstimmung bzw. De-Kalibrierung der 9 wird eine schlechte Quantenzahl zugrunde gelegt, die zu einer Mischung der Quantenzustände und damit zu einer Abnahme der Fluoreszenz führt. Es wird ein zusätzliches Magnetfeld angelegt, das nicht in Richtung der ersten Richtung der Kristallachse zeigt. Das Lumineszenzverhalten der 8 in Abhängigkeit von der magnetischen Flussdichte B kann also nur bei Ausrichtung der Kristalle beobachtet werden. insbesondere die in der 8 erkennbaren Resonanzpunkte (Peaks) sind nur bei Ausrichtung der Magnetfeldrichtung zur Kristallachse erkennbar.
9 zeigt den sich ergebenden Verlauf bei Dekalibrierung der Ausrichtung (also einer unterschiedlichen ersten und zweiten Richtung). Erst dann ist eine beliebige Ausrichtung des Magnetfeldes möglich. Wie leicht in der 9 erkennbar ist, ist die die Abhängigkeit zwischen der Magnetischen Flussdichte B und der Fluoreszenz in einem optimalen Arbeitspunktbereich am größten. Durch einen zusätzlichen Permanentmagneten und/oder eine bestromte elektrische Spule kann dem zu messenden Feld ein Bias-Feld überlagert werden, wodurch die Änderung der Fluoreszenz maximiert wird.
Eine Nichtausrichtung der ersten Richtung gegenüber der zweiten Richtung lässt sich daran erkennen, dass keine Resonanzen auftreten. Natürlich kann man jederzeit das magnetische Feld so ausrichten, dass diese Resonanzen auftreten. Wenn eine Vorrichtung aber dazu bestimmt und geeignet ist, auch Magnetfelder zu vermessen, bei denen die erste und zweite Richtung nicht übereinstimmen, so liegt sie auch dann im Beanspruchungsbereich der entsprechenden Ansprüche sofern deren übrige Merkmale zutreffen und zwar auch dann wenn sie bei einer bestimmten Magnetfeldrichtung die besagten Resonanzen aufweist. Durch das Vermeiden der Resonanzfälle der 8 ergibt sich somit die in wesentlichen Bereichen des Betrags der magnetischen Flussdichte B streng monoton fallende Kurve der 9, die dann innerhalb dieser Bereiche auch bijektiv und damit kalibrierbar ist. Gleiches gilt für Bereiche des Betrags der magnetischen Flussdichte um OT herum, in denen der Betrag der Intensität der Fluoreszenz in Abhängigkeit von dem Betrag der magnetischen Flussdichte B streng monoton steigend sein kann. Eine gleichzeitige Nutzung streng monoton fallender Bereiche und streng monoton steigender Bereiche sollte zur Sicherstellung der Bijektivität vermieden werden. Erst dann wird es möglich in einer Massenproduktion ein Messsystem zu produzieren.
Liste der zitierten Schriften

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

DE 102018127394 [0030, 0033, 0122, 0123]
DE 102019114032 [0032, 0123]
DE 102019120076 [0123]

Claims

Quantentechnologische Vorrichtung aufweisend ein Sensorelement, wobei das Sensorelement einen Kristall mit einer Kristallachse aufweist und wobei der Kristall ein paramagnetisches Zentrum in dem Kristall aufweist, wobei das Sensorsystem die Möglichkeit oder Mittel aufweist, das paramagnetische Zentrum mittels Anregungsstrahlung anzuregen und wobei das paramagnetische Zentrum in Bezug zu einer Kristallachse, insbesondere zu einer der folgenden betreffenden Kristallachsen, in einer ersten Richtung ausgerichtet ist und wobei insbesondere die betreffenden Kristallachsen die Kristallachsen [100], [010], [001], [111] des Kristalls und deren Äquivalente (wie z.B. [-100], [-1,-1,-1] etc.) sind und wobei das paramagnetische Zentrum bei Anregung durch die Anregungsstrahlung eine Fluoreszenzstrahlung emittiert und wobei die Fluoreszenzstrahlung in Abhängigkeit von einem Magnetfeld mit einer magnetischen Flussdichte B in einer zweiten Richtung moduliert wird und wobei die zweite Richtung von der ersten Richtung abweicht.
Quantentechnologische Vorrichtung aufweisend ein Sensorelement, wobei das Sensorelement einen Kristall mit einer Kristallachse aufweist und wobei der Kristall ein paramagnetisches Zentrum in dem Kristall aufweist, wobei das Sensorsystem die Möglichkeit oder Mittel aufweist, das paramagnetische Zentrum mittels Anregungsstrahlung anzuregen und wobei das paramagnetische Zentrum in Bezug zu einer Kristallachse, insbesondere zu einer der folgenden betreffenden Kristallachsen, in einer ersten Richtung ausgerichtet ist und wobei insbesondere die betreffenden Kristallachsen die Kristallachsen [100], [010], [001], [111] des Kristalls und deren Äquivalente (wie z.B. [-100], [-1,-1,-1] etc.) sind und wobei das paramagnetische Zentrum bei Anregung durch die Anregungsstrahlung ein Elektronenstrom erzeugt wird und wobei der Elektronenstrom in Abhängigkeit von einem Magnetfeld mit einer magnetischen Flussdichte B in einer zweiten Richtung moduliert wird und wobei die zweite Richtung von der ersten Richtung abweicht.
Verfahren zum Betrieb einer quantentechnologischen Vorrichtung umfassend die Schritte: Bereitstellen eines Sensorelements, wobei das Sensorelement einen Kristall mit einer Kristallachse aufweist und wobei der Kristall ein paramagnetisches Zentrum in dem Kristall aufweist Bestrahlen des paramagnetischen Zentrums mit Anregungsstrahlung mit einer ersten Wellenlänge Emittieren von Fluoreszenzstrahlung in Abhängigkeit von der Anregungsstrahlung und in Abhängigkeit von dem Wert einer magnetischen Gesamtflussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums bezogen auf ein ruhendes Koordinatensystem mit Koordinatenursprung in dem paramagnetischen Zentrum Erfassen zumindest eines Teils der Fluoreszenzstrahlung bzw. des Elektronenstromes und Ermittlung eines Werts der Fluoreszenzstrahlung oder des Elektronenstromes gekennzeichnet dadurch dass das paramagnetische Zentrum in Bezug zu einer Kristallachse, insbesondere zu einer der folgenden betreffenden Kristallachsen, in einer ersten Richtung ausgerichtet ist und wobei insbesondere die betreffenden Kristallachsen die Kristallachsen [100], [010], [001], [111] des Kristalls und deren Äquivalente (wie z.B. [-100], [-1,-1,-1] etc.) sind, und dass der Vektor der magnetischen Flussdichte B in eine zweite Richtung weist wird und dass diese zweite Richtung von der ersten Richtung abweicht.
Verfahren zur Wandlung von akustischen oder anderen mechanischen Schwingungen und/oder Positionsinformationen und/oder Positionsänderungsinformationen in optische Signale und/oder digitale elektrische Signale und/oder analoge elektrische Signale, mit den Schritten, Erzeugen einer mit einem ersten Modulationssignal, das konstant sein kann, modulierten magnetischen Flussdichte B oder einer mit dem ersten Modulationssignal modulierten magnetischen Feldstärke H; Erfassen dieser modulierten magnetischen Flussdichte B oder dieser modulierten magnetischen Feldstärke H mittels einer auf paramagnetischen Zentren in einem diamagnetischen Material, beruhenden Vorrichtung und Wandlung des erfassten Werts der modulierten magnetischen Flussdichte B oder des erfassten Werts der modulierten magnetischen Feldstärke H in ein optisches Signal und/oder ein digitales elektrisches Signal und/oder ein analoges elektrisches Signal mittels dieser Vorrichtung.
Vorrichtung mit einer Leuchtquelle (LQ) und mit einem diamagnetischen Material (MPZ) und mit einem Detektor (PD) und mit einem mechanischen System (MS) und mit einer ersten Quelle (MQ1), wobei das diamagnetischen Material ein paramagnetisches Zentrum aufweist und wobei die Leuchtquelle (LQ) eine für das paramagnetische Zentrum geeignete Anregungsstrahlung abstrahlt und wobei das paramagnetische Zentrum von der Anregungsstrahlung bestrahlt wird und Fluoreszenzstrahlung ausstrahlt und wobei die erste Quelle (MQ1) mit dem mechanischen System (MS) gekoppelt ist und wobei das mechanische System (MS) eine Bewegung der ersten Quelle (MQ1) relativ zum diamagnetischen Material (MPZ) zulässt und/oder verursacht und wobei der Detektor (PD) die Fluoreszenzstrahlung erfasst und in ein Empfangssignal wandelt.