DE102020118699A1 - Method and device for examining a sample with spin-dependent fluorescence - Google Patents

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Abstract

Es werden Verfahren und Vorrichtungen zur Untersuchung von Proben, welche spinabhängige Fluoreszenz emittieren, offenbart. Eine Messung der spinabhängigen Fluoreszenz und/oder eine Auswertung der Messung erfolgt unter Verwendung einer Information über den zeitabhängigen Verlauf der Fluoreszenz.Methods and devices for examining samples which emit spin-dependent fluorescence are disclosed. The spin-dependent fluorescence is measured and/or the measurement is evaluated using information about the time-dependent course of the fluorescence.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Untersuchen einer Probe mit spinabhängiger Fluoreszenz.The present application relates to methods and devices for examining a sample with spin-dependent fluorescence.

Spin-Systeme können in der Quantentechnologie als sogenannte Quantenbits dienen, wobei ein Spin-Zustand einem Wert des Quantenbits entspricht. Ein Kandidat für derartige Spin-Systeme sind Defektzentren wie Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (nitrogen vacancy center, kurz NVC) in einer Diamantstruktur, welche über Spin-Zustände mit langer Kohärenzzeit verfügen. Manchmal werden derartige Systeme auch als Farbzentren bezeichnet. Der Spin-Zustand derartiger Defektzentren kann beispielsweise über Mikrowellenfelder oder Magnetfelder manipuliert werden und dann optisch ausgelesen werden. Auch können derartige Defektzentren als Sonden in der Mikroskopie Anwendung finden, wie dies beispielsweise in den deutschen Patentanmeldungen DE 10 2019 119 213.7 und DE 10 2019 119 212.9 der Anmelderin beschrieben ist.In quantum technology, spin systems can serve as so-called quantum bits, with a spin state corresponding to a value of the quantum bit. A candidate for such spin systems are defect centers such as nitrogen vacancy centers (NVC for short) in a diamond structure, which have spin states with a long coherence time. Such systems are sometimes also referred to as color centers. The spin state of such defect centers can be manipulated, for example, using microwave fields or magnetic fields and then read out optically. Such defect centers can also be used as probes in microscopy, as is the case, for example, in the German patent applications DE 10 2019 119 213.7 and DE 10 2019 119 212.9 is described by the applicant.

Ein Niveauschema eines Stickstoff-Fehlstellen-Zentrums ist in 1 dargestellt. Die 1 zeigt einen Grund-Triplett-Zustand 3A2 und einen angeregten Triplett-Zustand 3E, welche jeweils drei mögliche Spin-Zustände |0>, |+1 > und |-1> aufweisen.A level scheme of a nitrogen vacancy center is in 1 shown. the 1 shows a ground triplet state 3 A 2 and an excited triplet state 3 E, each having three possible spin states |0>, |+1> and |-1>.

Die Aufspaltung zwischen den Spin-Niveaus |+1 > und |-1> hängen jeweils von einem anliegenden Magnetfeld ab. Ein Übergang von dem Spin-Zustand |0> in den Zustand 1+1> oder |-1> kann beispielsweise über Mikrowellenstrahlung wie durch einen Pfeil 10 angedeutet oder durch einen Einfluss eines Magnetfeldes erfolgen.The splitting between the spin levels |+1 > and |-1> each depend on an applied magnetic field. A transition from the spin state |0> to the state 1+1> or |-1> can take place, for example, via microwave radiation, as indicated by an arrow 10, or through the influence of a magnetic field.

Von dem Grundzustand 3A2 kann eine Anregung in den angeregten Zustand 3E beispielsweise mittels optischer Anregung wie durch Pfeile 11 dargestellt erfolgen. Für diese Anregung kann beispielsweise ein grüner Laser mit einer Wellenlänge von 532 nm eingesetzt werden. Von dem angeregten Zustand 3E kann dann ein strahlender Übergang in den Grundzustand wie durch Pfeile 12 angedeutet erfolgen. Die Wellenlänge dieser optischen Emission beträgt beim Übergang zwischen den Spin-Zuständen |0> 637 nm und liegt bei Übergängen zwischen den Spin-Zuständen |+1 > oder zwischen den Spin-Zuständen |-1> ebenfalls in dieser Größenordnung. Wegen der Spinerhaltung und dem Spin eines Photons von 0 kann dabei ein Übergang nur zwischen entsprechenden Zuständen, das heißt von Spin |+1 > zu Spin |+1>, von Spin |-1> zu Spin |-1> oder von Spin |0> zu Spin |0> erfolgen.From the ground state 3 A 2 , an excitation into the excited state 3 E can take place, for example by means of optical excitation, as illustrated by arrows 11 . For example, a green laser with a wavelength of 532 nm can be used for this excitation. A radiant transition into the ground state can then take place from the excited state 3E , as indicated by arrows 12 . The wavelength of this optical emission is 637 nm for the transition between the spin states |0> and is also in this order of magnitude for transitions between the spin states |+1> or between the spin states |-1>. Due to spin conservation and the spin of a photon being 0, a transition can only occur between corresponding states, i.e. from spin |+1> to spin |+1>, from spin |-1> to spin |-1> or from spin | 0> to spin |0>.

Zusätzlich kann von dem angeregten Zustand 3E ein Übergang in einen metastabilen Zustand 1E wie durch einen Pfeil 13 repräsentiert erfolgen, wobei dieser Übergang nichtstrahlend ist. Von dem Zustand 1E erfolgt dann ein Übergang in einen Zustand 1A1, wobei bei diesem Übergang Licht von einer deutlich größeren Wellenlänge, nämlich 1042 nm, emittiert wird, so dass dieses Licht bei einer Detektion der Fluoreszenz entsprechend den Pfeilen 12 normalerweise nicht mit detektiert wird. Von dem Zustand 1A1 kehrt das System dann durch einen nichtstrahlenden Übergang in den Grundzustand 3A2 mit Spin |0> zurück.In addition, a transition can occur from the excited state 3 E to a metastable state 1 E as represented by an arrow 13, this transition being non-radiative. From the state 1 E there is then a transition to a state 1 A 1 , with this transition light having a significantly longer wavelength, namely 1042 nm, being emitted, so that this light is normally not included in a detection of the fluorescence according to the arrows 12 is detected. From the 1 A 1 state, the system then returns to the ground state 3 A 2 with spin |0> by a nonradiative transition.

Die Wahrscheinlichkeit des Übergangs von dem Zustand 3E in den Zustand 1E entsprechend dem Pfeil 13 ist für die Spin-Zustände |+1> und |-1> höher als für den Spin-Zustand |0>. Dies führt dazu, dass die optische Emission gemäß den Pfeilen 12 für die Spin-Zustände |+1 > und |-1> niedriger ist als für den Spin-Zustand |0>.The probability of the transition from state 3 E to state 1 E according to arrow 13 is higher for the spin states |+1> and |-1> than for the spin state |0>. This means that the optical emission according to the arrows 12 for the spin states |+1> and |-1> is lower than for the spin state |0>.

Dies ist in 2 dargestellt. Die 2 zeigt eine normalisierte Fluoreszenz-Intensität über dem Spinwinkel, wobei der Spinwinkel einen Anteil von Spin |+1 > oder |-1> zu einem Anteil von Spin |0> Zuständen in einer Probe ausdrückt. Wird der Spinwinkel mit phi bezeichnet, kann ein entsprechender Zustand Ipsi> als |psi> = cos (phi/2) |0> + sin (phi/2) |1> ausgedrückt werden, wobei cos die Kosinusfunktion und sin die Sinusfunktion ist.this is in 2 shown. the 2 shows normalized fluorescence intensity versus spin angle, where spin angle expresses a proportion of spin |+1> or |-1> to a proportion of spin |0> states in a sample. If the spin angle is denoted by phi, a corresponding state Ipsi> can be expressed as |psi> = cos (phi/2) |0> + sin (phi/2) |1>, where cos is the cosine function and sin is the sine function.

In der 2 zeigt eine Kurve 20 ein Verhalten für sogenannte integrierte Detektion, wobei während eine Kurve 21 ein Verhalten für eine sogenannte „Gated“-Detektion (genauer auch als time-gated-Detektion oder Zeitfensterdetektion bezeichnet) zeigt, wobei in beiden Fällen die Fluoreszenz für einen Spinwinkel von π, was Spin-Zuständen |+1 > und |-1> entspricht, geringer ist als für einen Spinwinkel von 0 oder 2π, was einem Spin-Zustand |0> entspricht. Bei der integrierten Detektion gemäß der Kurve 20 wird Fluoreszenzsignal über einen gesamten Zeitraum, in dem Fluoreszenz vorliegt, integriert, während es bei der Gated-Detektion nur über einen begrenzten Zeitraum detektiert wird.In the 2 shows a curve 20 a behavior for so-called integrated detection, while a curve 21 shows a behavior for a so-called "gated" detection (more precisely also referred to as time-gated detection or time window detection), wherein in both cases the fluorescence for a spin angle of π, corresponding to spin states |+1> and |-1>, is smaller than for a spin angle of 0 or 2π, corresponding to a spin state |0>. In the case of the integrated detection according to the curve 20, the fluorescence signal is integrated over an entire period of time in which fluorescence is present, while in the case of gated detection it is only detected over a limited period of time.

Bei dazwischenliegenden Werten des Spinwinkels liegen manche Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in einer Probe in einem Spin-Zustand |0> und andere in einem Spin-Zustand |+1 > oder |-1> vor. Im Falle der integrierten Detektion gemäß der Kurve 20 ist ein Kontrast zwischen dem Minimum und Maximum der Kurve bei 0,25, während der Kontrast für die Gated-Detektion gemäß Kurve 21 in dem dargestellten Beispiel bei 0,65 liegt.At intermediate spin angle values, some nitrogen vacancy centers in a sample exist in a |0> spin state and others in a |+1> or |-1> spin state. In the case of integrated detection according to curve 20, a contrast between the minimum and maximum of the curve is 0.25, while the contrast for gated detection according to curve 21 is 0.65 in the example shown.

Zur Anregung kann bei einer Herangehensweise ein Laser im cw-Betrieb (continuous wave) die Stickstoff-Fehlstellen-Zentren durchweg zur Fluoreszenz anregen. Zeitgleich dazu wird der Spin-Zustand manipuliert, beispielsweise durch Einstrahlen entsprechender Mikrowellen-Pulse oder durch Anlegen von Magnetfeldern. Die Intensität des Fluoreszenzsignals, welche über eine gewisse Zeit integriert wird, gibt dann Auskunft über den Spin-Zustand. Der Nachteil dieser Herangehensweise ist es, dass der Laser, der zum Anregen der Fluoreszenz benutzt wird, den Spin-Zustand stört, während dieser beispielsweise durch Mikrowellen-Pulse manipuliert wird. Diese Störung des Spin-Zustandes kann die Leistungsfähigkeit eines Systems, welche auf Stickstoff-Fehlstellen-Zentren basiert, stark reduzieren. Werden die Stickstoff-Fehlstellen-Zentren beispielsweise zur Messung von Magnetfeldern benutzt, reduziert dies die Sensitivität.For excitation, in one approach, a continuous wave (cw) laser can excite the nitrogen vacancy centers throughout to fluoresce. At the same time, the spin state is manipulated, for example by irradiation len appropriate microwave pulses or by applying magnetic fields. The intensity of the fluorescence signal, which is integrated over a certain period of time, then provides information about the spin state. The disadvantage of this approach is that the laser used to excite the fluorescence perturbs the spin state while it is being manipulated, for example, by microwave pulses. This spin state perturbation can severely reduce the performance of a system based on nitrogen vacancy centers. If the nitrogen vacancy centers are used to measure magnetic fields, for example, this reduces the sensitivity.

Bei einer anderen Herangehensweise, dem gepulsten Auslesen, werden die Manipulation des Spins und ein Einstrahlen eines Lasers zum Auslesen des Spins zeitlich voneinander getrennt. Der Ablauf einer derartigen Messung ist in der 3 dargestellt. Eine Kurve 30 zeigt dabei schematisch eine Lasereinstrahlung über der Zeit, und eine Kurve 31 eine Mikrowelleneinstrahlung über der Zeit. Zunächst erfolgt ein erster Pumppuls 32 mit einer Zeitdauer tl. Folgend diesem ersten Pumppuls wird der Spin mittels eines Mikrowellenpulses 34 manipuliert. Zusätzlich oder alternativ zu dem Mikrowellen-Puls kann auch eine andere Art der Manipulation, z.B. eine magnetische Manipulation, des Spins erfolgen. Eine Dauer des Mikrowellenpulses 34 beträgt tm. tl und tm können beispielsweise in der Größenordnung von 1 µs sein.In another approach, pulsed reading, the manipulation of the spin and the irradiation of a laser to read the spin are separated in time. The process of such a measurement is in the 3 shown. A curve 30 schematically shows laser irradiation over time, and a curve 31 microwave irradiation over time. First, there is a first pump pulse 32 with a duration t1. Following this first pump pulse, the spin is manipulated using a microwave pulse 34 . In addition or as an alternative to the microwave pulse, another type of manipulation, for example magnetic manipulation, of the spin can also take place. A duration of the microwave pulse 34 is tm. tl and tm can be on the order of 1 μs, for example.

Zeitlich nach dem Mikrowellen-Puls 34 erfolgt ein weiterer Laserpuls 33 zum Auslesen des Spin-Zustandes, welcher ebenfalls eine Dauer tl oder eine davon abweichende Dauer haben kann.A further laser pulse 33 for reading out the spin state takes place after the microwave pulse 34, which can also have a duration t1 or a duration that deviates therefrom.

Die 4 zeigt Beispiele für Fluoreszenzsignale über der Zeit, die mit dem gepulsten Auslesen der 3 erzeugbar sind. Kurve 41 zeigt dabei den zeitlichen Verlauf der Fluoreszenz nach dem Beginn des Auslesepulses (Puls 33 der 4), wobei dieser Beginn durch einen Pfeil 35 in der 3 markiert ist und t = 0 in der 4 entspricht. Eine Kurve 41 zeigt dabei ein Beispiel für den Spin-Zustand 0>, und eine Kurve 42 zeigt den Verlauf für den Spin-Zustand |-1 >. Der Verlauf für den Spin-Zustand |+1> wäre ähnlich dem Verlauf für den Spin-Zustand |-1>.the 4 shows examples of fluorescence signals over time associated with the pulsed readout of the 3 are producible. Curve 41 shows the course of the fluorescence over time after the start of the read-out pulse (pulse 33 of 4 ), this beginning being indicated by an arrow 35 in the 3 is marked and t = 0 in the 4 is equivalent to. A curve 41 shows an example for the spin state 0>, and a curve 42 shows the profile for the spin state |−1>. The curve for the |+1> spin state would be similar to the curve for the |-1> spin state.

Wie zu erkennen, nimmt der Intensitätsunterschied zwischen den Kurven 41 und 42 mit der Zeit ab. Wenn nun über die gesamte Zeitdauer (z.B. 0 bis 1000 ns in 4) integriert wird, ergibt sich dann entsprechend ein relativ geringer Unterschied zwischen den integrierten Intensitäten, wie dies auch in Kurve 20 der 2 zu sehen ist. Daher wird in vielen Fällen eine Gated-Detektion verwendet. Hier erfolgt eine Integration nur in einem bestimmten Zeitfenster, welches in 4 mit dem Bezugszeichen 40 gekennzeichnet ist. Das gemessene Signal wird dann nur in diesem Zeitfenster integriert. Hierdurch ergibt sich ein deutlicherer Unterschied zwischen verschiedenen Spin-Zuständen, wie dies auch durch die Kurve 21 der 2 verdeutlicht ist. Die integrierte Intensität kann dann z.B. mit einem oder mehreren Schwellenwerten verglichen werden, um auf einen Spin-Zustand zu schließen.As can be seen, the difference in intensity between curves 41 and 42 decreases over time. If now over the entire time period (e.g. 0 to 1000 ns in 4 ) is integrated, there is then a relatively small difference between the integrated intensities, as is also the case in curve 20 of 2 you can see. Therefore, gated detection is used in many cases. Here an integration only takes place in a certain time window, which in 4 indicated by the reference numeral 40. The measured signal is then only integrated in this time window. This results in a clearer difference between different spin states, as is also shown by curve 21 of FIG 2 is clarified. The integrated intensity can then be compared to one or more threshold values, for example, in order to infer a spin state.

Bei den herkömmlichen Herangehensweisen, wie sie oben dargestellt wurden, ergeben sich folgende Probleme:

  • Generell sind derartige Fluoreszenzsignale sehr schwach, und somit verrauscht, beispielsweise durch Poisson-Rauschen. Um trotzdem mit entsprechender Sicherheit auf den Spin-Zustand schließen zu können, muss in vielen Fällen das Signal über viele Durchläufe (Präparation des Spin-Zustandes und nachfolgendes Auslesen) gemittelt werden, um somit durch Mittelung das Rauschen zu reduzieren. Dies erhöht jedoch den Zeitaufwand für Messungen. Alternativ kann auch eine Verbesserung der Detektionseffizienz angestrebt werden. Allerdings sind herkömmliche Messvorrichtungen hier schon weitgehend optimiert, weswegen weitere Verbesserungen in der Detektionseffizienz durch verbesserte Hardware nur bedingt möglich bzw. mit großem Aufwand verbunden sind.
The following problems arise with the conventional approaches as presented above:
  • In general, such fluorescence signals are very weak and are therefore noisy, for example due to Poisson noise. In order to be able to infer the spin state with a certain degree of certainty, in many cases the signal must be averaged over many runs (preparation of the spin state and subsequent readout) in order to reduce the noise through averaging. However, this increases the time required for measurements. Alternatively, an improvement in the detection efficiency can also be sought. However, conventional measuring devices are already largely optimized here, which is why further improvements in the detection efficiency through improved hardware are only possible to a limited extent or are associated with great effort.

Bei der Gated-Detektion stellt dann zudem noch die geeignete Wahl des Zeitfensters 40 ein Problem dar. Wenn das Zeitfenster zu kurz gewählt wird, werden zu wenige Photonen detektiert und somit das Rauschen relativ zum Signal erhöht. Wenn das Zeitfenster zu lange gewählt wird, hat dies zur Folge, dass das Signal auch zu Zeiten integriert wird, in denen sich die Signale 41 und 42 nicht oder nur geringfügig unterscheiden. Als Ergebnis erhält man durch die weitere Integration keine zusätzliche Information, sammelt aber weiter Photonen auf, welche mit ihrem Poisson-Rauschen zum Gesamtrauschen beitragen, aber kein relevantes Signal, welches das Signal-Rausch-Verhältnis (im Englischen Signal-to-noise-ratio, kurz SNR) verschlechtert.In the case of gated detection, the suitable selection of the time window 40 then also represents a problem. If the time window is selected too short, too few photons are detected and the noise relative to the signal is thus increased. If the time window selected is too long, the result is that the signal is also integrated at times when signals 41 and 42 do not differ or differ only slightly. As a result, no additional information is obtained through further integration, but photons continue to be collected, which contribute to the overall noise with their Poisson noise, but no relevant signal, which indicates the signal-to-noise ratio , short SNR) deteriorated.

Auch im Falle einer kontinuierlichen Anregung kann eine solche Gated-Detektion zum Einsatz kommen. Hier wird dann das Zeitfenster nicht in Bezug auf das Einschalten des Lasers gewählt, weil dieser ja kontinuierlich an ist, sondern in Bezug auf die eingestrahlten Mikrowellen-Pulse oder andere Manipulation der Spins. Die Problematik ist hier ansonsten ähnlich.Such gated detection can also be used in the case of continuous excitation. In this case, the time window is not selected in relation to the switching on of the laser, because it is on continuously, but in relation to the microwave pulses radiated in or other manipulation of the spins. The problem is otherwise similar here.

Es ist daher eine Aufgabe, Verfahren und Vorrichtungen bereitzustellen, mit welcher die Messung spinabhängiger Fluoreszenz verbessert werden kann, beispielsweise ein Signal-Rausch-Verhältnis für die Bestimmung eines Spin-Zustandes verbessert werden kann.It is therefore an object to provide methods and devices with which the measurement of spin-dependent fluorescence can be improved, for example a signal-to-noise ratio nis for the determination of a spin state can be improved.

Es werden ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine Messvorrichtung nach Anspruch 13 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.A method according to claim 1 and a measuring device according to claim 13 are provided. The dependent claims define further embodiments.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Untersuchen einer Probe bereitgestellt, aufweisend: Messen einer spinabhängigen Fluoreszenz von der Probe, und Auswerten der Messung der spinabhängigen Fluoreszenz, wobei das Messen und/oder das Auswerten unter Verwendung einer Information über den zeitabhängigen Verlauf der spinabhängigen Fluoreszenz erfolgt.According to the invention, a method for examining a sample is provided, comprising: measuring a spin-dependent fluorescence from the sample, and evaluating the measurement of the spin-dependent fluorescence, the measuring and/or the evaluating taking place using information about the time-dependent course of the spin-dependent fluorescence.

Information über den Zeitverlauf bedeutet dabei, dass nicht nur das Integral über einen Zeitraum verwendet wird, sondern tatsächlich bei der Messung oder Auswertung herangezogen wird, wie das Fluoreszenzsignal absteigt, abfällt oder sich sonst zeitlich entwickelt. Durch das Heranziehen einer Information über den zeitlichen Verlauf steht diese Information zusätzlich zur Verfügung und kann zur Verbesserung der Messung oder des Auswertens der Messung verwendet werden.Information about the course of time means that not only the integral is used over a period of time, but is actually used in the measurement or evaluation of how the fluorescence signal decreases, decreases or otherwise develops over time. By using information about the course over time, this information is additionally available and can be used to improve the measurement or to evaluate the measurement.

Die Information über den spinabhängigen Verlauf kann auf Eigenschaften fluoreszenzemittierender Komponenten der Probe basieren, beispielsweise auf Zerfallsraten von (Spin)zuständen derartiger KomponentenThe information about the spin-dependent course can be based on properties of fluorescence-emitting components of the sample, for example on decay rates of (spin) states of such components

Zusätzlich oder alternativ kann die Information über den zeitabhängigen Verlauf auf Kalibrierungsmessungen der Probe in einem ersten Spin-Zustand und einem von dem ersten Spin-Zustand verschiedenen zweiten Spin-Zustand erfolgt basieren. Dies schließt nicht aus, dass noch weitere Spin-Zustände vorhanden und beteiligt sind. So kann die Information dann zusätzlich noch auf Kalibrierungsmessungen der Probe in einem dritten Spin-Zustand, der von dem ersten und zweiten Spin-Zustand verschieden ist, etc. basieren.Additionally or alternatively, the information about the time-dependent profile can be based on calibration measurements of the sample in a first spin state and a second spin state that is different from the first spin state. This does not rule out the possibility that other spin states are present and involved. The information can then also be based on calibration measurements of the sample in a third spin state, which is different from the first and second spin state, etc.

Die Probe kann Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in einer Diamantstruktur, z.B. als die oben erwähnten fluoreszenzemittierenden Komponenten, enthalten.The sample may contain nitrogen vacancy centers in a diamond structure, e.g., as the fluorescence-emitting components mentioned above.

Das Durchführen des Messens unter Verwendung einer Information über den zeitabhängigen Verlauf kann ein Kalibrieren einer für das Messen verwendeten Messvorrichtung auf Basis der Information.Performing the measurement using information about the time-dependent history can calibrate a measuring device used for the measurement based on the information.

So kann das Kalibrieren der Messvorrichtung ein Kalibrieren eines Beginns einer Integration eines beim Messen erhaltenen Signals relativ zu einem Beginn eines Laserpulses zum Anregen der Probe auf Basis eines Beginns eines Anstiegs der spinabhängigen Fluoreszenz umfassen.Thus, calibrating the measuring device can include calibrating a beginning of an integration of a signal obtained during measurement relative to a beginning of a laser pulse for exciting the sample on the basis of a beginning of an increase in the spin-dependent fluorescence.

Auf diese Weise kann beispielsweise Timing-Jitter reduziert werden, das heißt Ungenauigkeiten oder Rauschen, das sich aus einem Zeitversatz zwischen dem Beginn der Messung und den Laser-Pulsen ergeben.In this way, for example, timing jitter can be reduced, i.e. inaccuracies or noise that result from a time offset between the start of the measurement and the laser pulses.

Das Auswerten der Messung unter Verwendung der Information über den zeitabhängigen Verlauf ein Erhalten einer Information über einen Spin-Zustand der Probe basierend auf der Information über den zeitabhängigen Verlauf umfassen.Evaluating the measurement using the information about the time-dependent course include obtaining information about a spin state of the sample based on the information about the time-dependent course.

In anderen Worten wird in diesem Fall ausgenutzt, dass verschiedene Spin-Zustände nicht nur verschiedene Fluoreszenzintensitäten aufweisen, sondern sich auch die zeitlichen Verläufe unterscheiden, also in der Information über den zeitlichen Verlauf eine Information über den Spin-Zustand steckt.In other words, in this case, use is made of the fact that different spin states not only have different fluorescence intensities, but also the temporal progressions differ, ie information about the spin state is contained in the information about the temporal progression.

Das Auswerten der Messung unter Verwendung der Information über den zeitabhängigen Verlauf kann ein Gewichten der Messung mit einer Gewichtungsfunktion, die auf der Information über den zeitabhängigen Verlauf beruht, umfassen.Evaluating the measurement using the time-dependent history information may include weighting the measurement with a weighting function based on the time-dependent history information.

Durch die Wahl einer Gewichtungsfunktion kann durch gegenüber der Verwendung eines Zeitfensters bei der Gated-Detektion eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses erzielt werden.By choosing a weighting function, an improvement in the signal-to-noise ratio can be achieved compared to using a time window in gated detection.

Die Probe kann dabei ein oder mehrere Fluoreszenzzentren aufweist, wobei jedes Fluoreszenzzentrum in einem ersten Spin-Zustand oder in mindestens einem zweiten Spin-Zustand ist, und wobei die Gewichtungsfunktion eine Funktion eines zeitabhängigen Verlaufs einer Fluoreszenzintensität für den ersten Spin-Zustand und eines zeitabhängigen Verlaufs der Fluoreszenzintensität für den mindestens einen zweiten Spin-Zustand ist.The sample can have one or more fluorescence centers, each fluorescence center being in a first spin state or in at least one second spin state, and the weighting function being a function of a time-dependent course of a fluorescence intensity for the first spin state and a time-dependent course is the fluorescence intensity for the at least one second spin state.

Die Gewichtungsfunktion w(t) kann durch w ( t ) = c I | 0 > ( t ) I | ± 1 > ( t ) I | 0 > ( t ) + I | ± 1 ( t )

Figure DE102020118699A1_0001
gegeben sein, wobei I|0>(t) der zeitliche Verlauf für den ersten Spin-Zustand, I|±1>(t) der zeitliche Verlauf für den zweiten Spin-Zustand und c ein Normierungsfaktor ist.The weighting function w(t) can be given by w ( t ) = c I | 0 > ( t ) I | ± 1 > ( t ) I | 0 > ( t ) + I | ± 1 ( t )
Figure DE102020118699A1_0001
be given, where I |0> (t) is the time profile for the first spin state, I |±1> (t) is the time profile for the second spin state and c is a normalization factor.

Der Normierungsfaktor c kann durch [ 0 I | ± 1 > ( t ) I | 0 > ( t ) I | ± 1 ( t ) + I | 0 > ( t ) d t ] 1

Figure DE102020118699A1_0002
gegeben sein.The normalization factor c can be [ 0 I | ± 1 > ( t ) I | 0 > ( t ) I | ± 1 ( t ) + I | 0 > ( t ) i.e t ] 1
Figure DE102020118699A1_0002
be given.

Die Probe kann ein oder mehrere Fluoreszenzzentren aufweisen, z.B. die oben erwähnten Stickstoff-Fehlstellen-Zentren, wobei jedes Fluoreszenzzentrum in einem ersten Spin-Zustand oder in einem zweiten Spin-Zustand ist, und wobei die Information über den zeitabhängigen Verlauf einen zeitabhängigen Verlauf einer Fluoreszenzintensität für den ersten Spin-Zustand und eines zeitabhängigen Verlaufs der Fluoreszenzintensität für den mindestens einen zweiten Spin-Zustand umfasst.The sample may have one or more fluorescence centers, eg the nitrogen vacancy centers mentioned above, each fluorescence center being in a first spin state or in a second spin state, and the information about the time-dependent course includes a time-dependent course of a fluorescence intensity for the first spin state and a time-dependent profile of the fluorescence intensity for the at least one second spin state.

Erfindungsgemäß wird zudem eine Messvorrichtung zur Untersuchung einer Probe bereitgestellt, umfassend:

  • einen Detektor zum Messen einer spinabhängigen Fluoreszenz von der Probe, und
  • eine Steuer-/Auswerteeinrichtung zum Steuern der Messung der spinabhängigen Fluoreszenz und zum Auswerten der Messung, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, die Messung und/oder das Auswerten der Messung unter Verwendung einer Information über den zeitabhängigen Verlauf der spinabhängigen Fluoreszenz durchzuführen.
According to the invention, a measuring device for examining a sample is also provided, comprising:
  • a detector for measuring a spin-dependent fluorescence from the sample, and
  • a control/evaluation device for controlling the measurement of the spin-dependent fluorescence and for evaluating the measurement, the device being set up to carry out the measurement and/or the evaluation of the measurement using information about the time-dependent course of the spin-dependent fluorescence.

Die Vorrichtung kann weiterhin eine Lichtquelle zum Anregen der Probe umfassen.The device can further comprise a light source for exciting the sample.

Die Vorrichtung kann weiter einen Mikrowellenstrahler und/oder eine Magnetfeldvorrichtung zum Manipulieren eines Spin-Zustandes der Probe umfassen.The device may further comprise a microwave emitter and/or a magnetic field device for manipulating a spin state of the sample.

Die Vorrichtung kann zur Durchführung eines der oben beschriebenen Verfahren eingerichtet sein.The device can be set up to carry out one of the methods described above.

Es wird auch ein Computerprogramm, beispielsweise auf einem greifbaren Speichermedium, bereitgestellt sein, mit dem die Auswertung der Messung basierend auf der Information über den zeitabhängigen Verlauf (z.B. das Gewichten) gemäß den oben beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.A computer program will also be provided, e.g. on a tangible storage medium, with which the evaluation of the measurement based on the information about the time-dependent course (e.g. weighting) is carried out according to the methods described above.

Verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 ein Niveauschema eines Stickstoff-Fehlstellen-Zentrums,
  • 2 Fluoreszenzintensitäten für verschiedene Spinwinkel bei verschiedenen Detektionsarten,
  • 3 Signale zum gepulsten Auslesen eines Stickstoff-Fehlstellen-Zentrums,
  • 4 Beispiele für Fluoreszenzkurven,
  • 5 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
  • 6 ein Flussdiagram zur Veranschaulichung von Verfahren gemäß mancher Ausführungsbeispiele,
  • 7 schematische Darstellungen zeitabhängiger Fluoreszenz zur Veranschaulichung mancher Ausführungsbeispiele, und
  • 8 eine Gewichtungsfunktion gemäß einem Ausführungsbeispiel im Vergleich mit Gated-Detektion.
Various exemplary embodiments of the present invention are explained in more detail below. Show it:
  • 1 a level scheme of a nitrogen vacancy center,
  • 2 Fluorescence intensities for different spin angles with different types of detection,
  • 3 signals for pulsed readout of a nitrogen vacancy center,
  • 4 examples of fluorescence curves,
  • 5 a block diagram of a device according to an embodiment,
  • 6 a flowchart to illustrate methods according to some embodiments,
  • 7 schematic representations of time-dependent fluorescence to illustrate some embodiments, and
  • 8th a weighting function according to an embodiment compared to gated detection.

Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele detailliert erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. So ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Merkmalen (Komponenten, Schritten, Vorgängen, Elementen etc.) nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Merkmale notwendig sind, da andere Ausführungsbeispiele weniger Merkmale und/oder alternative Merkmale aufweisen können. Zusätzlich zu den explizit hier beschriebenen Merkmalen können auch andere Merkmale bereitgestellt sein, beispielsweise Merkmale herkömmlicher Messvorrichtungen und Verfahren zur Messung spinabhängiger Fluoreszenz. So kann abgesehen von der nachfolgend detailliert beschriebenen Verwendung von Informationen über den zeitlichen Verlauf der Fluoreszenz die Messung in herkömmlicher Weise mit herkömmlichen Vorrichtungen vorgenommen werden, und diese herkömmlichen Bestandteile werden nicht detailliert erläutert.Various exemplary embodiments are explained in detail below. These embodiments are provided for illustration only and are not to be construed as limiting. Thus, a description of an embodiment having a plurality of features (components, steps, processes, elements, etc.) should not be construed as implying that all of those features are necessary, as other embodiments may have fewer features and/or alternative features. In addition to the features explicitly described here, other features can also be provided, for example features of conventional measuring devices and methods for measuring spin-dependent fluorescence. Thus, apart from the use of fluorescence time course information, as detailed below, the measurement can be made in a conventional manner using conventional apparatus, and these conventional components will not be discussed in detail.

Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Variationen und Abwandlungen, die für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, sind auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar und werden daher nicht näher erläutert.Features of different exemplary embodiments can be combined with one another unless otherwise stated. Variations and modifications that have been described for one of the exemplary embodiments can also be applied to other exemplary embodiments and are therefore not explained in more detail.

In der nachfolgenden Beschreibung werden Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamant als Beispiel für Proben oder Bestandteile von Proben verwendet, die eine spinabhängige Fluoreszenz zeigen. Die nachfolgend beschriebenen Techniken sind jedoch auch auf andere Fälle, in denen eine spinabhängige Fluoreszenz auftritt, anwendbar, beispielsweise auf andere Defektzentren. Beispiele hierfür sind Siliziumfehlstellen in SiC, wie in D. Reidel et al., „Resonant addressing and manipulation of silicon vacancy qubits in silicon carbide“, arXiv1210.0505v1, oder Defekte in 2D-Materialien, wie in A. Gottscholl et al., „Room Temperature Initialisation and Readout of Intrinsic Spin Defects in a Van der Waals Crystal“, arXiv:1906.03774 beschrieben.In the following description, nitrogen vacancy centers in diamond are used as an example of samples or components of samples showing spin-dependent fluorescence. However, the techniques described below are also applicable to other cases where spin-dependent fluorescence occurs, such as other defect centers. Examples of this are silicon vacancies in SiC, as in D. Reidel et al., "Resonant addressing and manipulation of silicon vacancy qubits in silicon carbide", arXiv1210.0505v1, or defects in 2D materials, as in A. Gottscholl et al., "Room Temperature Initialization and Readout of Intrinsic Spin Defects in a Van der Waals Crystal", arXiv:1906.03774.

Im Folgenden wird als Beispiel angenommen, dass Fluoreszenz zwischen 2 Spin-Zuständen, z.B. |0> und |±1|, unterschiedlich ist. Die hier dargestellten Techniken und Herangehensweisen, die eine Information über den zeitabhängigen Verlauf der Fluoreszenz heranziehen, sind aber ebenso auf Systeme und Proben anwendbar, bei denen drei oder mehr verschiedene Spin-Zustände mit unterschiedlichem Fluoreszenzverhalten vorliegen.In the following it is assumed as an example that fluorescence differs between 2 spin states, eg |0> and |±1|. The one shown here However, the techniques and approaches presented above, which use information about the time-dependent course of fluorescence, are also applicable to systems and samples in which three or more different spin states with different fluorescence behavior are present.

Die 5 zeigt eine Messvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, welche eingerichtet ist, eine spinabhängige Fluoreszenz von einer Probe 54 zu messen. Die Probe 54 kann beispielsweise Stickstoff-Fehlstellen-Zentren als Fluoreszenzzentren aufweisen.the 5 FIG. 12 shows a measuring device according to an exemplary embodiment, which is set up to measure a spin-dependent fluorescence from a sample 54. FIG. The sample 54 can have nitrogen vacancy centers as fluorescence centers, for example.

Die Vorrichtung der 5 weist einen Laser 51 zur optischen Anregung der Probe 54 sowie einen Detektor 53 zur Detektion von Fluoreszenz von der Probe 54 aus. Der Laser 51 kann beispielsweise ein Laser mit einer Wellenlänge von 532 nm sein, beispielsweise ein Nd:YAG-Laser. Der Detektor 53 kann jede Art von Detektor sein, der zur Detektion einer Wellenlänge entsprechend der Fluoreszenz der Probe 54 (in dem Bereich von 637 nm für Stickstoff-Fehlstellen-Zentren) eingerichtet ist, beispielsweise ein halbleiterbasierter Detektor. Jeder herkömmliche für derartige Fluoreszenzmessungen verwendete Laser 51 und Detektor 53 kann verwendet werden.The device of 5 has a laser 51 for optically exciting the sample 54 and a detector 53 for detecting fluorescence from the sample 54 . The laser 51 can be, for example, a laser with a wavelength of 532 nm, for example a Nd:YAG laser. The detector 53 can be any type of detector set up to detect a wavelength corresponding to the fluorescence of the sample 54 (in the range of 637 nm for nitrogen vacancy centers), for example a semiconductor-based detector. Any conventional laser 51 and detector 53 used for such fluorescence measurements can be used.

Des Weiteren umfassen die Messvorrichtungen einen Mikrowellenstrahler 52 zur Manipulation des Spins der Probe 54, beispielsweise der Stickstoff-Fehlstellen-Zentren. Statt des Mikrowellen-Strahlers 52 oder zusätzlich hierzu kann beispielsweise auch eine Manipulation mittels einem Magnetfeld, das mit einer entsprechenden Magnetfelderzeugungsvorrichtung erzeugt wird (z.B. Spulen, Permanentmagneten, externes zu messendes Magnetfeld etc.) erfolgen.Furthermore, the measuring devices include a microwave emitter 52 for manipulating the spin of the sample 54, for example the nitrogen vacancy centers. Instead of the microwave emitter 52 or in addition thereto, manipulation can also take place, for example, by means of a magnetic field that is generated with a corresponding magnetic field generating device (e.g. coils, permanent magnets, external magnetic field to be measured, etc.).

Eine Steuer-/Auswerteeinrichtung 50, im Folgenden kurz als Steuereinrichtung 50 bezeichnet, steuert den Laser 51 und den Mikrowellenstrahler 52 und empfängt die Signale von dem Detektor 53. Abgesehen von der folgend beschriebenen Verwendung von einer Information über den zeitabhängigen Verlauf der Fluoreszenz kann diese Steuerung und Auswertung der von dem Detektor 53 erhaltenen Signale in herkömmlicher Weise wie bei der eingangs erläuterten herkömmlichen Herangehensweise erfolgen. Die Steuereinrichtung 50 kann beispielsweise mittels einer Recheneinrichtung wie einem Computer oder einer Mikrosteuerung implementiert sein, die entsprechend programmiert ist. Sie kann aber auch auf andere Weise implementiert sein, beispielsweise mittels spezieller Hardware-Komponenten wie anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreisen (ASICs).A control/evaluation device 50, hereinafter referred to as control device 50 for short, controls the laser 51 and the microwave emitter 52 and receives the signals from the detector 53. Apart from the use of information about the time-dependent course of the fluorescence described below, this control can and evaluating the signals obtained from the detector 53 in a conventional manner as in the conventional approach explained at the outset. The controller 50 can be implemented, for example, by means of a computing device such as a computer or a microcontroller that is programmed accordingly. However, it can also be implemented in other ways, for example using special hardware components such as application-specific integrated circuits (ASICs).

Die Verwendung einer Information über den zeitlichen Verlauf der Fluoreszenz wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 6 bis 8 näher erläutert.The use of information about the time course of the fluorescence is described below with reference to FIG 6 until 8th explained in more detail.

6 zeigt ein Flussdiagram eines Verfahrens, wie es zum Beispiel mittels der Vorrichtung der 5 implementiert werden kann. 6 shows a flow chart of a method, as for example by means of the device 5 can be implemented.

Während das Verfahren als Abfolge von Schritten dargestellt ist, ist dies nicht als einschränkend auszulegen, und wie im Folgenden näher erläutert werden wird, können auch manche der dargestellten Schritte oder Vorgänge gleichzeitig ausgeführt werden, oder ein Vorgang kann einen anderen Vorgang modifizieren. Auch können Schritte in anderer Reihenfolge als dargestellt ausgeführt werden.While the method is presented as a sequence of steps, this is not meant to be limiting and, as will be explained in more detail below, some of the steps or acts illustrated may be performed concurrently, or one act may modify another act. Also, steps may be performed in a different order than shown.

In Schritt 60 wird die spinabhängige Fluoreszenz einer Probe gemessen. Beispielsweise kann wie oben erläutert Spins der Probe, beispielsweise von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren, mittels Mikrowellenstrahlung und/oder Magneten manipuliert werden und mittels Laserstrahlung und einem Detektor ausgelesen werden.In step 60 the spin-dependent fluorescence of a sample is measured. For example, as explained above, spins of the sample, for example from nitrogen vacancy centers, can be manipulated by means of microwave radiation and/or magnets and read out by means of laser radiation and a detector.

Bei 65 wird die Messung ausgewertet. Der Begriff Auswerten ist dabei allgemein zu verstehen und bezieht sich auf jegliche Verarbeitung der von einem entsprechenden Detektor wie dem Detektor 53 gelieferten Rohdaten. Ein derartiges Auswerten kann beispielsweise ein Integrieren der Rohdaten umfassen. Des Weiteren kann das Auswerten ein Bestimmen des Spin-Zustandes einer Probe umfassen, beispielsweise indem integrierte Daten mit einem oder mehreren Schwellenwerten verglichen werden.At 65 the measurement is evaluated. The term evaluation is to be understood in general terms and refers to any processing of the raw data supplied by a corresponding detector such as detector 53 . Such an evaluation can, for example, include an integration of the raw data. Furthermore, the evaluation can include determining the spin state of a sample, for example by comparing integrated data with one or more threshold values.

Bei 61 wird das Messen bei 60 modifiziert, in dem es unter Verwendung einer Information über den zeitabhängigen Verlauf der spinabhängigen Fluoreszenz durchgeführt wird, und/oder es wird das Auswerten der Messung bei 65 dahingehend modifiziert, dass es unter Verwendung einer derartigen Information durchgeführt wird. Beispiele für die Modifizierung bei 61 sind bei 62 bis 64 gegeben. Diese verschiedenen Maßnahmen können in Kombination miteinander oder einzeln in verschiedenen Ausführungsbeispielen durchgeführt werden.At 61, the measurement at 60 is modified to be performed using information about the time-dependent course of the spin-dependent fluorescence, and/or the evaluation of the measurement at 65 is modified to be performed using such information. Examples of the modification at 61 are given at 62-64. These various measures can be implemented in combination with one another or individually in various exemplary embodiments.

Bei 62 wird eine verwendete Messvorrichtung, beispielsweise die Messvorrichtung der 5, auf Basis der Information über den zeitabhängigen Verlauf kalibriert. Beispielsweise wird bei herkömmlichen Verfahren, wie unter 4 erläutert, das Zeitfenster 40 mit Beginn des Laserpulses 33 der 3 gestartet. Je nach Setup kann dies zu einem sogenannten Timing-Jitter führen, beispielsweise aufgrund von Laufzeiteffekten (z.B. wenn der tatsächliche Beginn des Laserpulses nicht mit einem nominellen Beginn auf Basis eines Steuersignals zusammenfällt).At 62, a measuring device used, for example the measuring device of 5 , calibrated on the basis of the information about the time-dependent course. For example, in conventional methods, as under 4 explained, the time window 40 at the beginning of the laser pulse 33 of 3 started. Depending on the setup, this can lead to a so-called timing jitter, for example due to runtime effects (e.g. if the actual start of the laser pulse does not coincide with a nomi nally beginning based on a control signal).

Bei Ausführungsbeispielen kann die Information über den zeitlichen Verlauf nun beispielsweise angeben, wann der Anstieg des Fluoreszenzsignales tatsächlich beginnt, und das Zeitfenster 40 kann zu diesem Beginn gestartet werden. In anderen Worten gibt der tatsächliche Anstieg an, wann der Laserpuls tatsächlich beginnt, was beispielsweise aufgrund von Laufzeiteffekten von einer in einer Steuerung hinterlegten Zeit abweichen kann. Somit kann der Beginn des Zeitfensters 40 entsprechend angepasst werden, was Timing-Jitter verringern kann.In exemplary embodiments, the information about the course over time can now indicate, for example, when the increase in the fluorescence signal actually begins, and the time window 40 can be started at this beginning. In other words, the actual increase indicates when the laser pulse actually begins, which can deviate from a time stored in a controller, for example due to runtime effects. Thus, the beginning of the time window 40 can be adjusted accordingly, which can reduce timing jitter.

Bei 63 wird die Information über den zeitabhängigen Verlauf verwendet, um auf den Spin-Zustand zu schließen. Um dies zu verdeutlichen, zeigt die 7 die Fluoreszenzintensität über der Zeit, wobei eine Kurve 70 die Intensität I für Spin |0> und eine Kurve 71 die Intensität I für Spin |+1> oder Spin |-1> zeigt. Im Wesentlichen entsprechen die Kurven der 7 den Kurven der 4, wobei die Kurven der 7 ohne Rauschen dargestellt sind.At 63, the information about the time-dependent profile is used to infer the spin state. To make this clear, the 7 the fluorescence intensity over time, a curve 70 showing the intensity I for spin |0> and a curve 71 showing the intensity I for spin |+1> or spin |-1>. The curves essentially correspond to 7 the curves of 4 , where the curves of the 7 are shown without noise.

Wie in 7 zu sehen ist, steigt die Kurve 70 zuerst an und fällt dann ab, während die Kurve 71 erst ansteigt, dann abfällt und dann nochmals ansteigt, also ein Minimum aufweist. Aus einem Minimum im zeitlichen Verlauf kann also daraus geschlossen werden, dass der Spin |+1 > oder |-1> vorliegt oder zumindest soweit dominiert, dass ein Minimum auftritt. Diese Information kann zum Beispiel zur Plausibilitätsüberprüfung einer herkömmlichen Messung verwendet werden.As in 7 As can be seen, the curve 70 first rises and then falls, while the curve 71 first rises, then falls and then rises again, ie has a minimum. From a minimum over time it can be concluded that the spin |+1> or |-1> is present or at least dominates to such an extent that a minimum occurs. This information can be used, for example, to check the plausibility of a conventional measurement.

Sollte die herkömmliche Auswertung eines Fluoreszenzsignales durch Integration beispielsweise ergeben, dass ein Spin-Zustand |0> vorliegt, auf der anderen Seite aber die Information über den zeitlichen Verlauf ergeben, dass ein Minimum vorliegt, kann dies auf eine fehlerhafte Messung hindeuten. Auch kann so überprüft werden, ob tatsächlich Fluoreszenz von einem erwarteten Defektzentrum (z.B. Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum) gemessen wird. Wenn ein gemessener zeitlicher Verlauf der Fluoreszenz stark von typischen Verläufen für Spin-Zustände abweicht, kann dies auf einen Fehler der Messung hindeuten.If the conventional evaluation of a fluorescence signal by integration shows, for example, that a spin state |0> is present, but on the other hand the information about the time profile shows that a minimum is present, this can indicate an incorrect measurement. It can also be checked in this way whether fluorescence is actually measured from an expected defect center (e.g. nitrogen defect center). If a measured course of the fluorescence over time deviates greatly from typical courses for spin states, this can indicate an error in the measurement.

Bei 64 wird die Messung zur Auswertung gewichtet. Es wird also nicht einfach wie bei herkömmlichen Verfahren das Integral über die gemessene Fluoreszenz gebildet oder im Falle der Gated-Detektion das Integral über ein bestimmtes Zeitfenster (was als eine einfache Gewichtung unabhängig von dem zeitlichen Verlauf gesehen werden kann, nämlich beispielsweise ein Gewicht +1 während des Zeitfensters und ein Gewicht 0 außerhalb des Zeitfensters), sondern die Gewichtungsfunktion wird zeitabhängig gewählt. Ein Beispiel, wie man zu einer derartigen Gewichtungsfunktion kommen kann, wird weiter unten erläutert. Vor dieser Erläuterung wird auf verschiedene Möglichkeiten eingegangen, die Information über den zeitlichen Verlauf zu erhalten.At 64, the measurement is weighted for evaluation. The integral over the measured fluorescence is not simply formed as in conventional methods or, in the case of gated detection, the integral over a specific time window (which can be seen as a simple weighting independent of the course over time, namely, for example, a weight +1 during the time window and a weight of 0 outside the time window), but the weighting function is chosen as a function of time. An example of how such a weighting function can be obtained is explained further below. Before this explanation, various options for obtaining the information about the course over time are discussed.

Eine erste Möglichkeit ist durch Kalibrierungsmessungen, indem die Probe in bekannte Spin-Zustände gebracht wird und dann jeweils der zeitliche Verlauf der Fluoreszenz gemessen wird. Beispielsweise kann bei einer Anwendung als Magnetfeld-Messvorrichtung zunächst ein bekanntes Magnetfeld verwendet werden, dass die Probe in einen Spin |0> oder in einen Spin |+1> bzw. |-1> polarisiert, und dann kann jeweils der zeitliche Verlauf gemessen werden. Auf Basis dieser zeitlichen Verläufe können dann die oben genannten Maßnahmen durchgeführt werden, wenn später unbekannte Spinzustände, z.B. zur Messung unbekannter Magnetfelder, gemessen werden. Der Vorteil dieser Herangehensweise ist, dass kein genaues Wissen über die Dynamik der Probe, beispielsweise der Stickstoff-Fehlstellen-Zentren, nötig ist. Zudem kann die Messvorrichtung bei dieser Messung auch anderweitig kalibriert werden.A first possibility is through calibration measurements by bringing the sample into known spin states and then measuring the time course of the fluorescence in each case. For example, when used as a magnetic field measuring device, a known magnetic field can first be used that polarizes the sample into a spin |0> or into a spin |+1> or |-1>, and then the time profile can be measured in each case . The measures mentioned above can then be carried out on the basis of these time curves if unknown spin states are measured later, e.g. to measure unknown magnetic fields. The advantage of this approach is that no precise knowledge of the dynamics of the sample, for example the nitrogen vacancy centers, is required. In addition, the measuring device can also be calibrated in another way during this measurement.

Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Information über den zeitlichen Verlauf aus vorherigem Wissen über die jeweilige Probe, beispielsweise das jeweilige Defektzentrum wie Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum, abgeleitet werden, beispielsweise aus zuvor bekannten Zerfallsraten, Übergangswahrscheinlichkeiten oder dergleichen für die verschiedenen Übergänge der 1. Dies hat den Vorteil, dass weniger Messzeit benötigt wird.In other exemplary embodiments, the information about the course over time can be derived from previous knowledge about the respective sample, for example the respective defect center such as nitrogen vacancy center, for example from previously known decay rates, transition probabilities or the like for the various transitions of the 1 . This has the advantage that less measurement time is required.

Diese beiden Ansätze können auch kombiniert werden. Beispielsweise können einige Parameter eines Systems mit Messvorrichtung und Probe mit hinreichend großer Genauigkeit vorbekannt sein, beispielsweise Übergangswahrscheinlichkeiten/Zerfallsraten, während andere Parameter wie beispielsweise die Leistung eines verwendeten Lasers oder Kopplungseffizienzen stark variieren können. Für diesen Ansatz können einige Daten gemessen werden und dann mit einem physikalischen Modell die offenen Parameter an die tatsächlichen Messdaten angefittet werden.These two approaches can also be combined. For example, some parameters of a system with measuring device and sample can be known with sufficient accuracy, for example transition probabilities/decay rates, while other parameters such as the power of a laser used or coupling efficiencies can vary greatly. For this approach, some data can be measured and then the open parameters can be fitted to the actual measurement data using a physical model.

Nunmehr wird ein Beispiel für die Bestimmung einer Gewichtungsfunktion (64 bei 6) auf Basis von Informationen über den zeitlichen Verlauf detailliert erläutert. Die Information über den zeitlichen Verlauf ist in diesem Fall der zeitliche Verlauf der Fluoreszenzsignale für Spin |0> und Spin |+1>, wie sie in den Kurven 70 und 71 der 7 dargestellt ist. Die Fluoreszenzintensität über der Zeit für Spin |0> wird im Folgenden als I|0>(t) bezeichnet (entsprechend der Kurve 70) und die Intensität für den Spin-Zustand |±1 > wird mit I|±1>(t) beschrieben. t bezeichnet dabei die Zeit.Now an example for the determination of a weighting function (64 at 6 ) explained in detail on the basis of information about the course over time. In this case, the information about the time profile is the time profile of the fluorescence signals for spin |0> and spin |+1>, as shown in curves 70 and 71 of FIG 7 is shown. The fluorescence intensity versus time for spin |0> is hereinafter referred to as I |0> (t) (corresponding to curve 70) and the intensity for the spin State |±1> is described with I |±1> (t). t denotes the time.

In einer allgemeinen Probe ist der Spin beispielsweise jedes Defektzentrums mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit λ im Spin-Zustand |0> und entsprechend mit der Wahrscheinlichkeit 1 - λ in den Spin-Zuständen |+1> oder |-1 >. Das Fluoreszenzsignal über der Zeit IIλ>(t) ist damit gegeben durch I λ ( t ) = λ I | 0 > ( t ) + ( 1 λ ) I | ± 1 > ( t )

Figure DE102020118699A1_0003
For example, in a general sample, the spin of each defect center has a certain probability λ in the spin state |0> and correspondingly with the probability 1 - λ in the spin states |+1> or |-1>. The fluorescence signal over time I Iλ> (t) is given by I λ ( t ) = λ I | 0 > ( t ) + ( 1 λ ) I | ± 1 > ( t )
Figure DE102020118699A1_0003

Ziel ist es nun, einen Schätzer S zu finden, so dass der Erwartungswert des Schätzers E [ S ( I ) ] = λ

Figure DE102020118699A1_0004
ist. Ein Schätzer ist dabei ein Funktional, mit dem die Intensität I über der Zeit so ausgewertet werden kann, dass der Spin-Zustand durch λ ausgedrückt, bestimmt werden kann. Ein Schätzer, der zu einem guten Signal-Rausch-Verhältnis SNR führt, hat zudem die Eigenschaft, dass seine Varianz Var[S(I)] klein ist, was bedeutet, dass mit hoher Zuverlässigkeit ein Wert bei oder nahe λ bestimmt wird.The goal now is to find an estimator S such that the expectation value of the estimator is E [ S ( I ) ] = λ
Figure DE102020118699A1_0004
is. An estimator is a functional with which the intensity I can be evaluated over time in such a way that the spin state, expressed by λ, can be determined. An estimator that leads to a good signal-to-noise ratio SNR also has the property that its variance Var[S(I)] is small, which means that a value at or near λ is determined with high reliability.

Für das hier diskutierte Ausführungsbeispiel wird angenommen, dass der Schätzer S ein lineares Funktional ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen können auch nichtlineare Funktionale verwendet werden. In dem Fall eines linearen Funktionals ist die allgemeinste Form des Schätzers gegeben durch S ( I ( t ) ) = o + 0 w ( t ) I ( t ) d t

Figure DE102020118699A1_0005
For the exemplary embodiment discussed here, it is assumed that the estimator S is a linear functional. In other embodiments, non-linear functionals can also be used. In the case of a linear functional, the most general form of the estimator is given by S ( I ( t ) ) = O + 0 w ( t ) I ( t ) i.e t
Figure DE102020118699A1_0005

Dabei ist w(t) die gesuchte Gewichtungsfunktion für die gewichtete Messung und o eine reelle Zahl als ein Offsetparameter ist. Die obige Formel (3) bedeutet im Wesentlichen, dass nicht wie bei herkömmlichen Herangehensweisen einfach das Integral der Intensität über der Zeit ausgewertet wird, sondern ein Integral über die gewichtete Intensität über der Zeit ausgewertet wird.where w(t) is the weighting function sought for the weighted measurement and o is a real number as an offset parameter. The above formula (3) essentially means that the integral of the intensity over time is not simply evaluated as in conventional approaches, but rather an integral over the weighted intensity over time is evaluated.

Die Messung des Fluoreszenzsignales wird immer mit Rauschen behaftet sein. Unter Annahme von Poisson-Rauschen ergibt sich, dass die Varianz Var[l(t)] proportional zur Intensität I(t) des gemessenen Signals ist.The measurement of the fluorescence signal will always be subject to noise. Assuming Poisson noise, the variance Var[l(t)] is proportional to the intensity I(t) of the measured signal.

Gleichzeitig kann angenommen werden, dass die Kovarianz Cov des Fluoreszenzsignales zwischen unterschiedlichen Zeitpunkten verschwindet, Cov ( I ( t 1 ) , I ( t 2 ) ) = 0 f u ¨ r t 1 t 2

Figure DE102020118699A1_0006
At the same time, it can be assumed that the covariance Cov of the fluorescence signal between different points in time disappears, cov ( I ( t 1 ) , I ( t 2 ) ) = 0 f and ¨ right t 1 t 2
Figure DE102020118699A1_0006

Diese Annahme ist für praktisch relevante Messungen in guter Näherung gültig. Sie besagt, dass die Wahrscheinlichkeit, ein Photon zum Zeitpunkt t1 zu detektieren, unabhängig von der Wahrscheinlichkeit ist, ein Photon zum Zeitpunkt t2 zu detektieren. Es gibt zwar den so genannten Anti-Bunching-Effekt, gemäß dem ein Defektzentrum unmittelbar nach der Emission eines Photons kein weiteres Photon aussenden kann. Der Einfluss dieses Effektes ist jedoch für praktisch relevante Messungen vernachlässigbar.This assumption is valid for practically relevant measurements in a good approximation. It states that the probability of detecting a photon at time t 1 is independent of the probability of detecting a photon at time t 2 . There is the so-called anti-bunching effect, according to which a defect center cannot emit another photon immediately after emitting a photon. However, the influence of this effect is negligible for practically relevant measurements.

Wenn nur ein einzelnes Defektzentrum betrachtet wird, werden in einem guten Messaufbau 200000 Photonen pro Sekunde detektiert. Das entspricht einem Photon pro 5000 ns. Folglich kann bei jedem Messdurchlauf (in dem Fluoreszenz für vielleicht 200 ns gemessen wird) nicht mit mehr als einem Photon gerechnet werden. Die Messung ist also nur sinnvoll und aussagekräftig, wenn über viele Messdurchläufe gemittelt wird. Nach dem Start eines neuen Messvorgangs vergisst das System aber alles über die Vergangenheit (der Spin wird wieder neu initialisiert) . Durch diese Initialisierung verschwinden die Korrelationen zwischen den Messdurchläufen, die Kovarianz ist zwischen zwei Messdurchläufen also 0.If only a single defect center is considered, 200,000 photons per second are detected in a good measurement setup. This corresponds to one photon per 5000 ns. Consequently, no more than one photon can be expected in each measurement run (in which fluorescence is measured for perhaps 200 ns). The measurement is therefore only useful and meaningful if it is averaged over many measurement runs. However, after the start of a new measurement process, the system forgets everything about the past (the spin is reinitialized again). As a result of this initialization, the correlations between the measurement runs disappear, i.e. the covariance between two measurement runs is 0.

Bei Ensembles mit vielen Defektzentren liegt zwar ein deutlich stärkeres Signal vor, sodass nicht zwangsläufig über viele Messdurchläufe gemittelt werden muss. Jedoch kommt dieses starke Signal dadurch zustande, dass viele Defektzentren gleichzeitig gemessen werden. Man kann in den meisten Fällen annehmen, dass Fluoreszenz zweier unterschiedlicher Defektzentren statistisch unabhängig voneinander ist, was wieder einer Kovarianz von 0 entspricht.In the case of ensembles with many defect centers, there is a significantly stronger signal, so that averaging over many measurement runs does not necessarily have to be carried out. However, this strong signal is due to the fact that many defect centers are measured simultaneously. In most cases, one can assume that fluorescence from two different defect centers is statistically independent of one another, which again corresponds to a covariance of 0.

Um die in Formel (2) genannt Bedingung zu erfüllen, muss die Gewichtungsfunktion folgende Eigenschaft erfüllen: S ( I | ± 1 > ( t ) ) S ( I | 0 > ( t ) ) = 0 w ( t ) [ I | ± 1 > ( t ) I | 0 > ( t ) ] d t = 1

Figure DE102020118699A1_0007
In order to fulfill the condition stated in formula (2), the weighting function must fulfill the following property: S ( I | ± 1 > ( t ) ) S ( I | 0 > ( t ) ) = 0 w ( t ) [ I | ± 1 > ( t ) I | 0 > ( t ) ] i.e t = 1
Figure DE102020118699A1_0007

Unter Verwendung von Formeln (3), (4) und (5) ergibt sich hieraus für die Varianz des Schätzers Var [ S ( I ( t ) ) ] 0 w 2 ( t ) I ( t ) d t

Figure DE102020118699A1_0008
Using formulas (3), (4) and (5), this results in the variance of the estimator Var [ S ( I ( t ) ) ] 0 w 2 ( t ) I ( t ) i.e t
Figure DE102020118699A1_0008

Folglich ergibt sich das folgende Optimierungsproblem: minimiere 0 w 2 ( t ) I ( t ) d t

Figure DE102020118699A1_0009
unter der Nebenbedingung 0 w ( t ) [ I | ± 1 > ( t ) I | 0 > ( t ) ] d t = 1
Figure DE102020118699A1_0010
Consequently, the following optimization problem arises: minimize 0 w 2 ( t ) I ( t ) i.e t
Figure DE102020118699A1_0009
under the condition 0 w ( t ) [ I | ± 1 > ( t ) I | 0 > ( t ) ] i.e t = 1
Figure DE102020118699A1_0010

Um dieses Problem zu lösen, muss I(t) bestimmt werden. Da gemäß Formel (4) Var(I(t))-I(t), kann I(t) dazu benutzt werden, um das Unwissen über das System vor der Durchführung der Messung im Sinne der Bayesschen Statistik zu modellieren. Unwissen über das System vor der Durchführung der Messung bedeutet im konkreten Fall, dass der Spin bzw. λ vor der Messung nicht bekannt ist.To solve this problem, I(t) has to be determined. Since according to formula (4) Var(I(t))-I(t), I(t) can be used to model the ignorance about the system before making the measurement in terms of Bayesian statistics. In this specific case, ignorance about the system before the measurement is carried out means that the spin or λ is not known before the measurement.

Eine mögliche Wahl ist die Annahme, dass das Unwissen über den Spin-Zustand maximal ist, was bedeutet, dass in 50 % der Fälle das System im Spin-Zustand |0> ist und in den anderen 50 % der Fälle im Spin-Zustand |±1> ist. Dies führt zu I ( t ) = I | ± 1 > ( t ) + I | 0 > ( t ) 2

Figure DE102020118699A1_0011
One possible choice is to assume that the ignorance about the spin state is maximal, which means that 50% of the time the system is in the spin state |0> and the other 50% of the time it is in the spin state | ±1>. this leads to I ( t ) = I | ± 1 > ( t ) + I | 0 > ( t ) 2
Figure DE102020118699A1_0011

Wenn mehr über die Messung oder das System bekannt ist, kann hier auch eine andere Gewichtung als 50 % gewählt werden. Die Gleichung (9) gibt die Intensität I(t) unter der Annahme, dass jeder Spin-Zustand mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 % vorliegt, an.If more is known about the measurement or the system, a weight other than 50% can also be selected here. Equation (9) gives the intensity I(t) assuming that each spin state exists with a probability of 50%.

Unter Verwendung des Skalarprodukts <f1|f2>| für zwei Funktionen f1(t)|f2(t) gemäß f 1 | f 2 I : = 0 f 1 ( t ) f 2 ( t ) I ( t ) d t

Figure DE102020118699A1_0012
kann man das Optimierungsproblem gemäß Formel (8) wie folgt schreiben minimiere (wlw), unter der Nebenbedingung minimiere w | w I w | I | ± 1 > I | 0 > I I = 1
Figure DE102020118699A1_0013
Using the scalar product <f 1 |f 2 > | for two functions f 1 (t)|f 2 (t) according to f 1 | f 2 I : = 0 f 1 ( t ) f 2 ( t ) I ( t ) i.e t
Figure DE102020118699A1_0012
one can write the optimization problem according to formula (8) as minimize (wlw), under the constraint minimize w | w I w | I | ± 1 > I | 0 > I I = 1
Figure DE102020118699A1_0013

Dieses Optimierungsproblem hat nun eine einfache geometrische Interpretation: die Suche nach w(t) entspricht der Suche nach dem kürzesten Verbindungsvektor in der durch das Skalarprodukt gemäß Formel (10) gegebenen Norm zwischen dem Ursprung und einer Ebene. Die Ebene ist durch die Nebenbedingungen beschrieben und hat den Normalenvektor I | ± 1 > I | 0 > I

Figure DE102020118699A1_0014
This optimization problem now has a simple geometric interpretation: the search for w(t) corresponds to the search for the shortest connection vector in the norm given by the scalar product according to formula (10) between the origin and a plane. The plane is described by the constraints and has the normal vector I | ± 1 > I | 0 > I
Figure DE102020118699A1_0014

Dies bedeutet, dass der oben angesprochene Verbindungsvektor parallel zu dem Normalenvektor der Ebene sein muss.This means that the connection vector mentioned above must be parallel to the normal vector of the plane.

Mit entsprechender Normierung ergibt sich dann für die gesuchte Gewichtungsfunktion w(t) w ( t ) = I | ± 1 > ( t ) I | 0 > ( t ) I | ± 1 ( t ) + I | 0 > ( t ) [ 0 I | ± 1 > ( t ) I | 0 > ( t ) I | ± 1 ( t ) + I | 0 > ( t ) d t ] 1

Figure DE102020118699A1_0015
With appropriate normalization, the result for the weighting function w(t) is w ( t ) = I | ± 1 > ( t ) I | 0 > ( t ) I | ± 1 ( t ) + I | 0 > ( t ) [ 0 I | ± 1 > ( t ) I | 0 > ( t ) I | ± 1 ( t ) + I | 0 > ( t ) i.e t ] 1
Figure DE102020118699A1_0015

Der Faktor [ 0 I | ± 1 > ( t ) I | 0 > ( t ) I | ± 1 ( t ) + I | 0 > ( t ) d t ] 1

Figure DE102020118699A1_0016
kann allgemein als Normierungsfaktor c angesehen werden.The factor [ 0 I | ± 1 > ( t ) I | 0 > ( t ) I | ± 1 ( t ) + I | 0 > ( t ) i.e t ] 1
Figure DE102020118699A1_0016
can generally be regarded as the normalization factor c.

Gemäß der Formel (12) kann also, wenn der zeitliche Verlauf von I|±1>(t) und I|0>(t) als Information über den zeitlichen Verlauf zur Verfügung steht, die Gewichtungsfunktion w(t) bestimmt werden.According to the formula (12), the weighting function w(t) can be determined if the time profile of I |±1> (t) and I |0> (t) is available as information about the time profile.

Daraus ergibt sich dann für das Signal-Rausch-Verhältnis SNRw für diese Gewichtungsfunktion w(t) [ S N R w ] 2 [ 0 w 2 ( t ) I ( t ) d t ] 1

Figure DE102020118699A1_0017
This then results in the signal-to-noise ratio SNR w for this weighting function w(t) [ S N R w ] 2 [ 0 w 2 ( t ) I ( t ) i.e t ] 1
Figure DE102020118699A1_0017

Zur Veranschaulichung des Effektes der Benutzung einer derartigen Gewichtungsfunktion wird nun mit einer herkömmlichen Herangehensweise der Gated-Detektion verglichen. Hierfür werden die Fluoreszenzsignale der 7 verwendet. Auf dieser Basis wird gemäß Formel (12) die Gewichtungsfunktion wopt(t) eine Gewichtungsfunktion, die einer herkömmlichen Gated-Detektion entspricht, und hier als wgated(t) bezeichnet wird, bestimmt. Das Zeitfenster für die Gated-Detektion wird so bestimmt, dass das Signal-Rausch-Verhältnis maximiert wird. Die Gewichtungsfunktion wopt(t) wird in 8 durch eine Kurve 80 repräsentiert, die Gewichtungsfunktion wgated(t) durch eine Kurve 81, das heißt das Fenster reicht hier von 0 bis etwas über 250 ns, danach nimmt die Gewichtungsfunktion wgated(t) den Wert 0 an, das heißt das Zeitfenster ist vorbei.To illustrate the effect of using such a weighting function, a comparison is now made with a conventional gated detection approach. For this purpose, the fluorescence signals of the 7 used. On this basis, according to formula (12), the weighting function w opt (t), a weighting function that corresponds to conventional gated detection and is referred to here as w gated (t), is determined. The time window for gated detection is determined in such a way that the signal-to-noise ratio is maximized. The weighting function w opt (t) is given in 8th represented by a curve 80, the weighting function w gated (t) by a curve 81, i.e. the window here ranges from 0 to a little over 250 ns, after which the weighting function w gated (t) assumes the value 0, i.e. the time window is over.

Ein Vergleich der Signal-Rausch-Verhältnisse auf Basis von Gleichung (13) ergibt SNR w 2 opt SNR w 2 gated = 116,9 %

Figure DE102020118699A1_0018
A comparison of the signal-to-noise ratios based on equation (13) results SNR w 2 opt SNR w 2 gated = 116.9 %
Figure DE102020118699A1_0018

Das heißt, dass das Quadrat des Signal-Rausch-Verhältnisses mit der Gewichtungsfunktion auf Basis der Information über den zeitlichen Verlauf umfasst, 17 % höher ist als das bestmögliche Signal-Rausch-Verhältnis2 bei herkömmlicher Gated-Detektion. Diese 17 % entsprechen einer Signalverbesserung, die bei 17 % zusätzlicher Messzeit oder 17 % verbesserte Detektionseffizienz möglich wäre. Zudem ist diese verbesserte Signalverarbeitung relativ einfach mit Software zu implementieren und benötigt keine spezielle Hardware, insbesondere da bei den meisten Messvorrichtungen ohnehin Photonen mit hoher Zeitauflösung gezählt werden.This means that the square of the signal-to-noise ratio with the weighting function based on the information over time is 17% higher than the best possible signal-to-noise ratio 2 in conventional gated detection. This 17% corresponds to a signal improvement that would be possible with 17% additional measurement time or 17% improved detection efficiency. In addition, this improved signal processing is relatively easy to implement with software and does not require any special hardware, especially since most measuring devices anyway count photons with high time resolution.

Der zeitliche Verlauf von Fluoreszenzsignalen I(t) hängt von verschiedenen Parametern ab, unter anderem auch von der Laserleistung und damit vom Sättigungsparameter. 9 zeigt die erwartete Signalverbesserung (Verbesserung von SNR2) über dem Sättigungsparameter. Wie man sieht, ist für kleine Laserleistungen eine Verbesserung von 25 % möglich und für große Leistungen um 22 %, mindestens aber 14 %. Da durch Hardware-Verbesserungen Detektionseffizienz nur noch schwer steigerbar und Messzeit kostbar ist, sind derartige Steigerungen in der Praxis ein großer Zugewinn.The time profile of fluorescence signals I(t) depends on various parameters, including the laser power and thus the saturation parameter. 9 shows the expected signal improvement (improvement of SNR 2 ) versus the saturation parameter. As can be seen, an improvement of 25% is possible for small laser powers and by 22%, but at least 14%, for high powers. Since it is difficult to increase detection efficiency through hardware improvements and measurement time is valuable, such increases are a great gain in practice.

Die oben beschriebenen Techniken können wie bereits erwähnt in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine spinabhängige Fluoreszenz detektiert wird, beispielsweise in Mikroskopen für Forschungsanwendungen oder auch Sensoren beispielsweise zur Magnetfeldmessung. Wie bereits erläutert, stellen die obigen Ausführungsbeispiele lediglich Beispiele dar und sind nicht als einschränkend auszulegen. So können beispielsweise durch Annahme anderer Wahrscheinlichkeiten über das System oder durch Verwendung eines nicht linearen Funktionals wie oben beschrieben auch andere Gewichtungsfunktionen erzielt werden, die auf eine jeweilige Anwendung angepasst werden können.As already mentioned, the techniques described above can be used in various applications in which a spin-dependent fluorescence is detected, for example in microscopes for research applications or sensors, for example for measuring magnetic fields. As already explained, the above embodiments only represent examples and are not to be construed as limiting. For example, by assuming other probabilities across the system or by using a non-linear functional as described above, other weighting functions can also be achieved that can be adapted to a particular application.

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Claims (17)

Verfahren zum Untersuchen einer Probe (54), aufweisend: Messen einer spinabhängigen Fluoreszenz von der Probe (54), und Auswerten der Messung der spinabhängigen Fluoreszenz, wobei das Messen und/oder das Auswerten unter Verwendung einer Information über den zeitabhängigen Verlauf der spinabhängigen Fluoreszenz erfolgt.Method for examining a sample (54), comprising: measuring a spin-dependent fluorescence from the sample (54), and evaluating the measurement of the spin-dependent fluorescence, wherein the measuring and/or the evaluating takes place using information about the time-dependent course of the spin-dependent fluorescence . Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Information über den spinabhängigen Verlauf auf Eigenschaften fluoreszenzemittierender Komponenten der Probe basiert.procedure after claim 1 , where the information about the spin-dependent course is based on properties of fluorescence-emitting components of the sample. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Information über den zeitabhängigen Verlauf auf Kalibrierungsmessungen der Probe (54) in einem ersten Spin-Zustand und einem von dem ersten Spin-Zustand verschiedenen zweiten Spin-Zustand basiert.procedure after claim 1 or 2 , wherein the information about the time-dependent history is based on calibration measurements of the sample (54) in a first spin state and a second spin state different from the first spin state. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Probe Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in einer Diamantstruktur enthält.Procedure according to one of Claims 1 until 3 , where the sample contains nitrogen vacancy centers in a diamond structure. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Durchführen des Messens unter Verwendung einer Information über den zeitabhängigen Verlauf ein Kalibrieren einer für das Messen verwendeten Messvorrichtung auf Basis der Information umfasst.Procedure according to one of Claims 1 until 4 , wherein carrying out the measurement using information about the time-dependent curve comprises calibrating a measuring device used for the measurement on the basis of the information. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Kalibrieren der Messvorrichtung ein Kalibrieren eines Beginns einer Integration eines beim Messen erhaltenen Signals relativ zu einem Beginn eines Laserpulses (33) zum Anregen der Probe (54) auf Basis eines Beginns eines Anstiegs der spinabhängigen Fluoreszenz umfasst.procedure after claim 5 , wherein the calibration of the measuring device comprises calibrating a start of an integration of a signal obtained during measurement relative to a start of a laser pulse (33) for exciting the sample (54) on the basis of a start of an increase in the spin-dependent fluorescence. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Auswerten der Messung unter Verwendung der Information über den zeitabhängigen Verlauf ein Erhalten einer Information über einen Spin-Zustand der Probe (54) basierend auf der Information über den zeitabhängigen Verlauf umfasst.Procedure according to one of Claims 1 until 6 , wherein evaluating the measurement using the information about the time-dependent course comprises obtaining information about a spin state of the sample (54) based on the information about the time-dependent course. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Auswerten der Messung unter Verwendung der Information über den zeitabhängigen Verlauf ein Gewichten der Messung mit einer Gewichtungsfunktion, die auf der Information über den zeitabhängigen Verlauf beruht, umfasst.Procedure according to one of Claims 1 until 7 , wherein the evaluating of the measurement using the information about the time-dependent curve comprises weighting the measurement with a weighting function which is based on the information about the time-dependent curve. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Probe ein oder mehrere Fluoreszenzzentren aufweist, wobei jedes Fluoreszenzzentrum in einem ersten Spin-Zustand oder in einem zweiten Spin-Zustand ist, und wobei die Gewichtungsfunktion eine Funktion eines zeitabhängigen Verlaufs einer Fluoreszenzintensität für den ersten Spin-Zustand und eines zeitabhängigen Verlaufs der Fluoreszenzintensität für den zweiten Spin-Zustand ist.Procedure according to one of Claims 1 until 8th , wherein the sample has one or more fluorescence centers, each fluorescence center being in a first spin state or in a second spin state, and wherein the weighting function is a function of a time-dependent course of a fluorescence intensity for the first spin state and a time-dependent course of the fluorescence intensity for the second spin state. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Gewichtungsfunktion w(t) durch w ( t ) = c I | 0 > ( t ) I | ± 1 > ( t ) I | 0 > ( t ) + I | ± 1 ( t )
Figure DE102020118699A1_0019
Wobei I|0>(t) der zeitliche Verlauf für den ersten Spin-Zustand, I|±1>(t) der zeitliche Verlauf für den zweiten Spin-Zustand und c ein Normierungsfaktor ist.
procedure after claim 9 , where the weighting function w(t) is given by w ( t ) = c I | 0 > ( t ) I | ± 1 > ( t ) I | 0 > ( t ) + I | ± 1 ( t )
Figure DE102020118699A1_0019
Where I |0> (t) is the time profile for the first spin state, I |±1> (t) is the time profile for the second spin state and c is a normalization factor.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Normierungsfaktor c durch [ 0 I | ± 1 > ( t ) I | 0 > ( t ) I | ± 1 ( t ) + I | 0 > ( t ) d t ] 1
Figure DE102020118699A1_0020
gegeben ist.
procedure after claim 10 , where the normalization factor c is [ 0 I | ± 1 > ( t ) I | 0 > ( t ) I | ± 1 ( t ) + I | 0 > ( t ) i.e t ] 1
Figure DE102020118699A1_0020
given is.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Probe ein oder mehrere Fluoreszenzzentren aufweist, wobei jedes Fluoreszenzzentrum in einem ersten Spin-Zustand oder in einem zweiten Spin-Zustand ist, und wobei Information über den zeitabhängigen Verlauf einen zeitabhängigen Verlaufs einer Fluoreszenzintensität für den ersten Spin-Zustand und einen zeitabhängigen Verlaufs der Fluoreszenzintensität für den zweiten Spin-Zustand umfasst.Procedure according to one of Claims 1 until 11 , wherein the sample has one or more fluorescence centers, each fluorescence center being in a first spin state or in a second spin state, and wherein information about the time-dependent course includes a time-dependent course of a fluorescence intensity for the first spin state and a time-dependent course of the fluorescence intensity for the second spin state. Messvorrichtung zur Untersuchung einer Probe (54), umfassend: einen Detektor (53) zum Messen einer spinabhängigen Fluoreszenz von der Probe (54), und eine Steuer-/Auswerteeinrichtung (50) zum Steuern der Messung der spinabhängigen Fluoreszenz und zum Auswerten der Messung, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, die Messung und/oder das Auswerten der Messung unter Verwendung einer Information über den zeitabhängigen Verlauf der spinabhängigen Fluoreszenz durchzuführen.Measuring device for examining a sample (54), comprising: a detector (53) for measuring a spin-dependent fluorescence from the sample (54), and a control/evaluation device (50) for controlling the measurement of the spin-dependent fluorescence and for evaluating the measurement, the device being set up to carry out the measurement and/or the evaluation of the measurement using information about the time-dependent course of the spin-dependent fluorescence. Vorrichtung nach Anspruch 13, weiterhin umfassend eine Lichtquelle (51) zum Anregen der Probe (54).device after Claim 13 , further comprising a light source (51) for exciting the sample (54). Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, weiter umfassend einen Mikrowellenstrahler (52) und/oder eine Magnetfeldvorrichtung zum Manipulieren eines Spin-Zustandes der Probe (54).device after Claim 13 or 14 , further comprising a microwave emitter (52) and/or a magnetic field device for manipulating a spin state of the sample (54). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 eingerichtet ist.Device according to one of Claims 13 until 15 , wherein the device for carrying out the Procedure according to one of Claims 1 until 12 is set up. Computerprogramm mit einem Programmcode, der, wenn er auf einer Recheneinrichtung ausgeführt wird, bewirkt, dass das Auswerten der Messung unter Verwendung der Information über den zeitabhängigen Verlauf gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1-12 durchgeführt wird.Computer program with a program code that, when executed on a computing device, causes the evaluation of the measurement using the information about the time-dependent curve according to the method according to one of Claims 1 - 12 is carried out.
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