DE102020122176A1

DE102020122176A1 - Magnetfeldvorrichtung und Mikroskop

Info

Publication number: DE102020122176A1
Application number: DE102020122176.2A
Authority: DE
Inventors: Nils Trautmann; Jannik Michael Trapp
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2020-08-25
Filing date: 2020-08-25
Publication date: 2022-03-03

Abstract

Es wird eine Magnetfeldvorrichtung zur Einstellung der Orientierung und der Stärke des magnetischen Flusses in einem Beobachtungsvolumen bereitgestellt, wobei die Magnetfeldvorrichtung wenigstens drei Permanentmagneten umfasst, wobei die Magnetfeldvorrichtung Mittel zur Änderung der relativen Lage und/oder Orientierung der Permanentmagneten umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Magnetfeldvorrichtung und ein Mikroskop.
Es besteht vermehrt der Wunsch, mit Hilfe von Mikroskopen Spin-Zustände von Proben zu untersuchen. Zu solchen Proben zählen Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamant, die ein vielversprechender Kandidat für die Speicherung von Quantenbits sind.
Aktuelle Forschungsergebnisse im Zusammenhang mit Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamant sind in den Artikeln
Perfect selective alignment of nitrogen-vacancy centers in diamond, Published 9 April 2014 • 2014 The Japan Society of Applied Physics Applied Physics Express, Volume 7, Number 5;
Influence of magnetic field alignment and defect concentration on nitrogen-vacancy polarization in diamond, 2016 New J. Phys. 18013011; und
Engineering preferentially-aligned nitrogen-vacancy centre ensembles in CVD grown diamond, Scientific Reports volume 9, Article number: 5786 (2019)
offenbart.
Regelmäßig ist es dafür erforderlich, ein definiertes Magnetfeld in einem Beobachtungsvolumen bereitzustellen, welches sich in Stärke und Orientierung einfach einstellen lässt. Hiervon ausgehend besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Magnetfeldvorrichtung, mit Hilfe derer die magnetische Flussdichte in einem Beobachtungsvolumen gezielt beeinflusst werden kann, und ein Mikroskop, welches eine solche Magnetfeldvorrichtung umfasst, anzugeben.
Vorgeschlagen wird eine Magnetfeldvorrichtung zur Einstellung der Orientierung und der Stärke des magnetischen Flusses in einem Beobachtungsvolumen, wobei die Magnetfeldvorrichtung wenigstens drei Permanentmagneten umfasst, und wobei die Magnetfeldvorrichtung Mittel zur Änderung der relativen Lage und/oder Orientierung der Permanentmagneten umfasst.
Für die Bereitstellung von hohen magnetischen Flussdichten im Beobachtungsvolumen werden beträchtliche Ströme benötigt, wenn Elektromagneten zur Erzeugung des Magnetfeldes verwendet werden. Durch die Verwendung von Permanentmagneten anstelle von Elektromagneten kann eine aufwändige Steuerung, die üblicherweise benötigt wird, um diese Ströme einzustellen und konstant zu halten, entfallen. Durch den Verzicht auf Elektromagneten und die damit einhergehenden hohen Ströme kann auch ein Wärmeeintrag in der Nähe des Beobachtungsvolumens verringert werden, so dass ein thermisches Management vereinfacht werden kann.
Es hat sich gezeigt, dass durch die Verwendung einer Magnetfeldvorrichtung, die mehrere Permanentmagneten umfasst, magnetische Flussdichten erzielt werden können, die sonst fast nur von supraleitenden Magneten erzeugt werden können. Der mit supraleitenden Magneten einhergehende Platzbedarf und die benötigten Mengen flüssigen Heliums können bei der Verwendung von Permanentmagneten allerdings entfallen.
Im Unterschied zu der Verwendung einer Magnetfeldvorrichtung mit einem einzelnen Permanentmagneten kann bei gleicher magnetischen Flussdichte ein größerer Abstand der Permanentmagneten vom Beobachtungsvolumen gewährt werden. Bei größerem Abstand der Permanentmagneten vom Beobachtungsvolumen kann das Feld der jeweiligen Permanentmagneten durch ihr jeweils dominantes Multipolfeld, meistens ein Dipolfeld, angenähert werden, so dass der magnetische Fluss im Beobachtungsvolumen leichter vorhergesagt werden kann. Durch die Verwendung mehrerer Permanentmagneten können darüber hinaus auch herstellungsbedingte Abweichungen der von den jeweiligen Permanentmagneten erzeugten Magnetfelder leichter ausgeglichen werden.
In einer Ausgestaltung der Magnetfeldvorrichtung beträgt das Beobachtungsvolumen mehr als 50 µm³, bevorzugt mehr als 100 µm³, besonders bevorzugt mehr als 200 µm³. Das Beobachtungsvolumen kann insbesondere ein Quader sein, bei welchem wenigstens zwei Kantenlängen im Wesentlichen gleich sind. Insbesondere kann die längste Kantenlänge einen Wert von mehr als 50 µm, bevorzugt mehr als 100 µm, besonders bevorzugt mehr als 200 µm aufweisen. Ein Querschnitt des Beobachtungsvolumens kann folglich eine quadratische Fläche haben.
Es ist ebenfalls denkbar, dass das Beobachtungsvolumen ein Würfel ist.
In Ausführungsbeispielen können die Permanentmagneten der Magnetfeldvorrichtung in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sein. Dies kann die Einstellung der Orientierung und der Stärke des magnetischen Flusses im Beobachtungsvolumen vereinfachen.
Ein Mittelpunkt des Beobachtungsvolumens kann ein Abstand von mehr als 1 cm und weniger als 10 cm, bevorzugt mehr als 2 cm und weniger als 7 cm zu der gemeinsamen Ebene haben.
Dies kann einen ausreichenden Raum für die Manipulation der im Beobachtungsvolumen befindlichen Probe zur Verfügung stellen, wobei gleichzeitig eine magnetische Flussdichte ausreichender Stärke erzeugt werden kann.
Eine weitere Ausgestaltung der Magnetfeldvorrichtung sieht vor, dass die Magnetfeldvorrichtung vier Permanentmagneten umfasst. Die Bereitstellung von vier Permanentmagneten kann es erlauben die Orientierung und die Stärke des magnetischen Flusses besonders gut einzustellen. Insbesondere können es vier Permanentmagneten ermöglichen, durch geringe Änderung der relativen Lage und/oder Orientierung, die Orientierung und die Stärke des magnetischen Flusses kontinuierlich zu ändern. Kleinere Änderungen der relativen Lage und/oder Orientierung der Permanentmagneten können dabei auch nur kleine Änderungen des magnetischen Flusses bewirken.
Ausführungsbeispiele der Magnetfeldvorrichtung sehen vor, dass die Permanentmagneten in einem nicht magnetischen Material, insbesondere einem Kunststoff, eingebettet sind. Die Einbettung der Permanentmagneten in einem nicht magnetischen Material kann ungewollte Interaktion zwischen den Permanentmagneten und in Arbeits-und Umbauprozessen, zum Beispiel beim Probenwechsel, genutzten Schrauben, Werkzeugen etc. verhindern.
Wenigstens einer der Permanentmagneten, bevorzugt alle Permanentmagneten, können um eine Drehachse drehbar sein. Es ist denkbar, dass lediglich die Orientierung der Permanentmagneten geändert wird und nicht deren Position. Auf diese Weise kann der Platz für Mittel zur Änderung der relativen Lage der Permanentmagneten eingespart werden. Insbesondere kann mehr Platz zur Manipulation einer im Beobachtungsvolumen befindlichen Probe zur Verfügung gestellt werden.
Die Drehachsen der Permanentmagneten können in einer oder der gemeinsamen Ebene angeordnet sein. Dies kann die Einstellung des magnetischen Flusses im Beobachtungsvolumen vereinfachen.
Wenigstens zwei der Drehachsen können senkrecht zueinander angeordnet sein.
Die Drehachsen der Permanentmagneten können senkrecht zu einer gemeinsamen Ebene angeordnet sein.
Ausführungsbeispiele können darüber hinaus vorsehen, dass wenigstens zwei Drehachsen der Permanentmagneten parallel zueinander angeordnet sind.
Die Drehachsen können insbesondere senkrecht zu einer Hauptachse eines Demagnetisierungsfeldes des Permanentmagneten orientiert sein. Beispielsweise könnten die Permanentmagneten im Wesentlichen linear, das heißt als Stabmagneten, magnetisiert sein. Die Permanentmagneten können im Wesentlichen ein Dipolfeld hervorrufen. Die Drehachsen können dann senkrecht zu einer Hauptachse des Dipolfelds ausgerichtet sein. Dies kann die Einstellung des magnetischen Flusses im Beobachtungsvolumen vereinfachen.
Ausgestaltungen der Magnetfeldvorrichtung können vorsehen, dass die Permanentmagneten rotationssymmetrisch um eine Symmetrieachse angeordnet sind.
Ein Abstand zwischen Mittelpunkt und der Permanentmagneten und der Symmetrieachse kann dabei mehr als 2 cm und weniger als 12 cm betragen. Bevorzugt beträgt ein Abstand zwischen Mittelpunkt der Permanentmagneten und der Symmetrieachse mehr als 3 cm und weniger als 8 cm.
Als Material der Permanentmagneten kann insbesondere Neodym gewählt werden.
Ein Volumen wenigstens eines der Permanentmagneten kann zwischen 2 cm³ und 12 cm³, bevorzugt zwischen 3 cm³ und 10 cm³ liegen.
Wenigstens einer der Permanentmagneten kann eine zylinderförmige, insbesondere kreiszylinderförmige, würfelförmige oder kugelförmige Form haben. Dies kann die Herstellung der Permanentmagneten vereinfachen.
Weiter wird ein Mikroskop vorgeschlagen, welches einer der voranstehend beschriebenen Magnetfeldvorrichtungen umfasst, und zur optischen Beobachtung eines Probenvolumens innerhalb des Beobachtungsvolumens eingerichtet ist.
Das Mikroskop kann eine Lichtquelle umfassen, um eine im Probenvolumen befindliche Probe optisch anzuregen.
Ausgestaltungen des Mikroskops können vorsehen, dass das Mikroskop einen Kryostaten umfasst, wobei das Beobachtungsvolumen im Kryostaten angeordnet ist. Die Bereitstellung eines Mikroskops mit einer Magnetfeldvorrichtung und einem Kryostaten kann es erlauben, Phasenübergänge zu untersuchen, die nur bei niedrigen Temperaturen auftreten und/oder Phononen in einer im Beobachtungsvolumen befindlichen Probe zu unterdrücken.
Die Magnetfeldvorrichtung kann dabei innerhalb des Kryostaten angeordnet sein oder außerhalb des Kryostaten. Bei einer Anordnung innerhalb des Kryostaten kann die magnetische Flussdichte in Richtung und Orientierung besser eingestellt werden, da das Kryostatmaterial einen geringeren Einfluss auf das Magnetfeld ausüben kann.
Eine Anordnung außerhalb des Kryostaten kann den Vorteil haben, dass nur ein geringeres Volumen abgekühlt werden muss.
In Ausgestaltungen weist das Mikroskop eine Mikrowellenquelle auf. Mit der Mikrowellenquelle können gegebenenfalls zusätzliche Anregungszustände einer im Probenvolumen befindlichen Probe angeregt werden.
In Ausführungsbeispielen handelt es sich bei dem Mikroskop um ein Konfokalmikroskop, insbesondere ein Weitfeld-Konfokalmikroskop. Die Verwendung eines Konfokalmikroskops kann dabei Aufnahmen der Probe mit einer besonders hohen Auflösungsart ermöglichen.
In Ausführungsbeispielen kann das Mikroskop zu Immersionsmikroskopie eingerichtet sein, um einen möglichst hohen Anteil des von einer im Probenvolumen befindlichen Probe abgegebenen Lichts aufzufangen.
Ausgestaltungen sehen vor, dass das Mikroskop ein Rasterkraftmikroskop umfasst, wobei das Rasterkraftmikroskop eine Messspitze umfasst, wobei die Messspitze magnetfeldabhängige optische Eigenschaften hat, und wobei die Messspitze im Beobachtungsvolumen angeordnet ist.
Insbesondere kann die Messspitze ein Fehlstellen-Zentrum oder Farbzentrum umfassen. Beispielsweise kann die Messspitze ein Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum in Diamant umfassen. Die Verwendung eines Rasterkraftmikroskops in Kombination mit einer Messspitze, die magnetfeldabhängige optische Eigenschaften hat, kann es ermöglichen, gleichzeitig die Oberflächentopographie einer Probe und deren magnetische Eigenschaften zu bestimmen.
Die vorgeschlagene Magnetfeldvorrichtung und das vorgeschlagene Mikroskop werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:

1 ein Modell eines Stickstoff-Fehlstellen-Zentrums;
2 ein Niveauschema eines Stickstoff-Fehlstellen-Zentrums;
3 ein ODMR-Spektrum eines Stickstoff-Fehlstellen-Zentrums;
4 ein Mikroskop;
5 ein Mikroskop;
6 ein Mikroskop;
7 ein Mikroskop;
8 eine Magnetfeldvorrichtung;
9 eine Magnetfeldvorrichtung;
10 eine Magnetfeldvorrichtung;
11 eine Magnetfeldvorrichtung;
12 magnetische Flussrichtungen für die Magnetfeldvorrichtung nach 8;
13 magnetische Flussdichten für die Magnetfeldvorrichtung nach 8.
14 magnetische Flussrichtungen für die Magnetfeldvorrichtung nach 9;
15 magnetische Flussdichten für die Magnetfeldvorrichtung nach 9;
16 magnetische Flussrichtungen für die Magnetfeldvorrichtung nach 10;
17 magnetische Flussdichten für die Magnetfeldvorrichtung nach 10;
18 magnetische Flussrichtungen für die Magnetfeldvorrichtung nach 11;
19 magnetische Flussdichten für die Magnetfeldvorrichtung nach 11.

In der 1 zeigt schematisch ein Stickstofffehlstellenzentrum 100 in Diamant. Dabei sind nur die der Fehlstelle 104 (V; Vacancy) am nächsten liegenden Atome 101, 102, 103, 105 dargestellt. Bei den Atomen 101, 102, 103 handelt es sich um Kohlenstoffatome und bei dem Atom 105 um ein Stickstoffatom (N; Nitrogen). Die weiter entfernten Kohlenstoffatome des Diamanten sind nicht dargestellt.
Das Stickstofffehlstellenzentrum 100 weist eine Rotationssymmetrie um eine Achse auf, die durch die Verbindungslinie zwischen der Fehlstelle 104 und dem Stickstoffatom 105 gebildet wird. Weiter ist in der 1 ein Vektor der magnetischen Flussdichte B dargestellt, welcher das Stockstofffehlstellenzentrum 100 ausgesetzt ist.
2 veranschaulicht simulierte Energieniveaus eines einfach negativ geladenen Stickstofffehlstellenzentrums 100. Ein einfach negativ geladenes Stickstofffehlstellenzentrum wird auch als [NV]^--Zentrum bezeichnet.
Das Mehrelektronensystem des [NV]^--Zentrums weist einen Triplett-Zustand ³A₂, der auch als Grundzustand bezeichnet wird, einen angeregten Triplett-Zustand ³E sowie zwei Singulett-Zustände ¹E und ¹A₁ auf, welche zwischen den Triplett-Zuständen ³A₂ und ³E liegen, auf.
Zwei Elektronen des Mehrelektronensystems können in den Triplett-Zuständen bezüglich ihres Spins parallel oder antiparallel ausgerichtet sein. Demzufolge kann das Mehrelektronensystem einen Spin |+1〉 einen Spin 1-1) einen Spin |0〉.
Die Energieniveaus der Zustände Spin |+1〉 und Spin |-1〉 liegen dabei höher als das Energieniveau mit Spin |0〉 und spalten zudem unter Einfluss eines Magnetfeldes in Richtung der Verbindungslinie zwischen der Fehlstelle 104 und dem Stickstoffatom 105 in zwei Energieniveaus auf.
Der Aufspaltung 270 zwischen den Energieniveaus Spin |+1〉 und Spin 1-1) im Zustand ³A₂ kann folglich als Maß für die herrschende magnetische Flussdichte entlang der Verbindungslinie dienen.
Mittels optischer Strahlung 221 kann im Grundzustand ³A₂ befindliche [NV]^--Zentrum angeregt werden, so dass nach nicht strahlender Relaxation 251, 252, 253 die Energieniveaus ³E besetzt werden. Die optische Strahlung 221 kann dabei eine Wellenlänge von weniger als 532 nm haben.
Bei der Anregung in den Zustand ³E sind dabei nur Übergänge erlaubt, bei denen der Spin erhalten bleibt, d.h. von ³A₂ Spin |0〉 nach ³E Spin 10), von ³A₂ Spin 1-1) nach ³E -1 und von ³A₂ Spin |+1〉 nach ³E +1.
Von dem Zuständen ³E kann das [NV]^--Zentrum strahlend in die entsprechenden Grundzustände ³A₂ relaxieren. Beim Übergang von ³E Spin |0〉 nach ³A₂ Spin |0〉 wird dabei eine Fluoreszenzstrahlung 231 mit einer Wellenlänge von 637 nm abgegeben. Die Wellenlänge der Fluoreszenzstrahlung 232, 233 unterscheidet sich nur geringfügig von der Wellenlänge der Fluoreszenzstrahlung 231.
Neben einem strahlenden Übergang von den Energieniveaus ³E in die Energieniveaus ³A₂ mittels Fluoreszenzstrahlung können ist auch eine Interkombination (ISC, Intersystem Crossing) 241 von den Energieniveaus ³A₂ zum Energieniveau ¹A₁ möglich. Dieser strahlungslose Übergang von einem elektronischen Anregungszustand in einen anderen Anregungszustand mit veränderter Multiplizität, d.h. vom Triplett-Zustand zum Singulett-Zustand, ist für die Zustände ³E mit Spin 1-1) und Spin |+1〉 viel wahrscheinlicher als eine Interkombination für den Zustand ³E mit Spin 10), so dass letzter in der weiteren Betrachtung vernachlässigt werden kann und in der 2 nicht explizit eingezeichnet ist.
Vom Singulett-Zustand ¹A₁ kann das [NV]^--Zentrum unter Abgabe von optischer Strahlung 261 der Wellenlänge 1042 nm in den Singulett-Zustand ¹E übergehen. Die Wellenlänge der Strahlung 261 unterscheidet sich ausreichend von der Wellenlänge der Fluoreszenzstrahlung 231, 232, 233, so dass durch Filterung nur die Fluoreszenzstrahlung 231, 232, 233 gemessen werden kann. Ebenso ist ein strahlungsloser Übergang 262 möglich.
Mittels Mikrowellenstrahlung 210 können ausgehend vom Zustand ³A₂ Spin 10), die Zustände ³A₂ Spin |-1〉 und ³A₂ Spin |+1〉 angeregt werden.
Da für die Spin-Zustände Spin 1-1) und Spin |+1〉 wie oben erläutert eine Interkombination möglich und für den Spin-Zustand Spin |0〉 nicht, nimmt die Intensität der Summe der Fluoreszenzstrahlungen 231, 232, 233 ab, wenn die Besetzungswahrscheinlichkeit für die Zustände ³A₂ Spin |-1〉 und ³A₂ Spin |+1〉 durch Mikrowellenstrahlung erhöht wird.
In der 3 zeigt ein ODMR(Optically Detected Magnetic Resonance)-Spektrum eines [NV]^--Zentrum. Die Intensität der Fluoreszenzstrahlung ist dimensionslos über der Mikrowellenfrequenz f in MHz aufgetragen, mit der das [NV]^--Zentrum angeregt wird. Sofern das [NV]^--Zentrum keinem Magnetfeld ausgesetzt wird kommt es zu keiner Aufspaltung der Energieniveaus ³A₂ Spin |-1〉 und ³A₂ Spin |+1〉 und das Minimum des Fluoreszenzsignals bei einer Mikrowellenfrequenz von ca. 2950 MHz erhalten wird, welche dem Übergang von ³A₂ Spin |0〉 nach ³A₂ Spin |-1〉 bzw. ³A₂ Spin |+1〉 entspricht. Von unten nach oben nimmt dabei die Stärke der magnetischen Flussdichte entlang der Symmetrieachse des [NV]^--Zentrum zu. Dementsprechend spalten die Energieniveaus ³A₂ Spin |-1〉 und ³A₂ Spin |+1〉 immer weiter auf, so dass zwei entsprechende Minima erhalten werden. Aus dem Abstand der Minima lässt sich mithin der Betrag der magnetischen Flussdichte entlang der Symmetrieachse des [NV] -Zentrum bestimmen. Ebenso ist es möglich durch Anlegen eines Magnetfelds entlang der Symmetrieachse gezielt einen der beiden Spin-Zustände Spin 1-1) und Spin |+1〉 anzuregen.
Für beide Anwendungszwecke ist es wünschenswert, die magnetische Flussdichte in dem Beobachtungsvolumen, in welchem sich das Stickstofffehlstellenzentrum befindet, in Richtung und Stärke reproduzierbar möglichst genau einstellen zu können.
In der 4 ist schematisch ein Mikroskop 400 dargestellt. Das Mikroskop weist ein Objektiv 420 auf, mit welchem eine Probe, die ein Stickstofffehlstellenzentrum enthalten kann, beobachtet werden kann. Weiter ist eine Magnetfeldvorrichtung 410 mit wenigstens drei Permanentmagneten vorgesehen, von denen in der 4 nur die Permanentmagneten 411, 412 sichtbar sind, um die Orientierung und die Stärke des magnetischen Flusses in dem Beobachtungsvolumen einstellen zu können. Die Magnetfeldvorrichtung 410 weist dabei Mittel zur Änderung der relativen Lage und/oder Orientierung der Permanentmagneten 411, 412 auf.
Die Permanentmagneten 411, 412 sind in einer gemeinsamen Ebene 481 angeordnet. Der Abstand 402 der gemeinsamen Ebene 481 von einem Mittelpunkt des Beobachtungsvolumens 401 beträgt ca. 2,5 cm. Das Mikroskop 400 weist weiter einen Kryostaten 440 mit einer Heliumzufuhr 441 und einer Heliumabsaugung 442 auf. Die Verwendung eines Kryostaten kann sich insbesondere dann anbieten, wenn Wellenlängen zu beobachtender Strahlung im nahen Infrarot liegen. Insbesondere kann sich ein Mikroskop mit einem Kryostaten dafür eignen, Fehlstellen-Zentren in Silicium oder Germanium zu beobachten. Bei dem in 4 gezeigten Mikroskop 400 kann es sich um ein Konfokalmikroskop handeln, mit welchem ein Obervolumen von 1 µm³ beobachtet werden kann. Die Probe kann einzelne Stickstoff-Fehlstellen-Zentren aufweisen oder eine Vielzahl von nicht mehr einzeln auswertbaren Stickstoff-Fehlstellen-Zentren. Es ist denkbar, dass mit dem Mikroskop 400 Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamant beobachtet werden, wobei es sich bei den Diamanten um Nanodiamanten in oder nahe von biologischen Zellen handelt. Der Abstand 403 der Permanentmagneten 411 und 412 von der Symmetrieachse 421 kann beispielsweise 5 cm betragen.
Das Mikroskop 400 weist weiter eine Mikrowellenquelle 430 auf, welche beispielsweise dazu dienen kann, den Spin-Zustand eines Stickstoff-Fehlstellen-Zentrums in Diamant zu verändern.
In der 5 ist ein weiteres Mikroskop 500 dargestellt. Das Mikroskop 500 weist eine Magnetfeldvorrichtung 510 mit wenigstens drei Permanentmagneten auf, wobei nur die Permanentmagneten 511, 512 in der 5 dargestellt sind. Die Permanentmagneten 511 und 512 sind um eine Drehachse drehbar, welche senkrecht zur Hauptachse eines Demagnetisierungsfeldes der Magneten 511 und 512 ausgerichtet ist. Weiter sind die Permanentmagneten 511 und 512 symmetrisch um eine Symmetrieachse 521 angeordnet. Die Symmetrieachse 5-zu-1 stimmt dabei mit der optischen Achse des Mikroskops 500 überein. Mit dem Objektiv 520 des Mikroskops 500 können Übergänge einer Probe, die sich im Beobachtungsvolumen 501 befindet, angeregt werden. Bei dem Mikroskop 500 handelt es sich um ein Immersionsmikroskop. Die Immersionsflüssigkeit 504 vergrößert die numerische Apparatur des Objektivs 520, so dass auch schwach fluoreszierende Proben im Beobachtungsvolumen 501 ausgelesen werden können. Der Abstand 502 der Magnetfeldvorrichtung 510 von einem Mittelpunkt des Beobachtungsvolumens 501 kann wieder 2,5 cm betragen. Grundsätzlich ist es allerdings auch denkbar, den Abstand auf, zum Beispiel 5 cm, zu erhöhen. Die Permanentmagneten 511 und 512 sind in einem Abstand 503 von ca. 5 cm von einem Mittelpunkt des Beobachtungsvolumens 501 angeordnet. Dies kann ausreichend Platz bereitstellen, um Proben in das Beobachtungsvolumen 501 einbringen zu können. Mittels einer Mikrowellenquelle 530 können unterschiedliche Spin-Zustände angeregt werden.
In der 6 ist ein weiteres Mikroskop 600 dargestellt, welches ein Rasterkraftmikroskop umfasst. Das Mikroskop 600 weist eine Magnetfeldvorrichtung 610 mit zwei Permanentmagneten 611 und 612 auf. Mit einem Objektiv 620 können magnetfeldabhängige optische Eigenschaften der Messspitze 650 des Rasterkraftmikroskops beobachtet werden. Darüber hinaus erlaubt es das Rasterkraftmikroskop, in üblicher Weise die Typografie einer Probe ab zu rastern. Der Abstand 603 der Permanentmagneten 611, 612 von der Symmetrieachse 621 und der Abstand 602 von der Magnetfeldvorrichtung 610 und einem Mittelpunkt des Beobachtungsvolumens 601 erlaubt es, ausreichend Platz für die Messspitze 650 des Rasterkraftmikroskops bereitzustellen. Mithilfe einer Mikrowellenquelle 630 können weitere Manipulationen an einer im Beobachtungsvolumen 601 befindlichen Probe durchgeführt werden.
In der 7 ist ein weiteres Mikroskop 700 gezeigt. Das Mikroskop 700 ist ein invertiertes Mikroskop, das in Transmission betrieben wird. Die Lichtquelle 760 ist dabei oberhalb des Beobachtungsvolumens 701 angeordnet und das Objektiv 720 unterhalb. Die Magnetfeldvorrichtung 710 des Mikroskops 700 weist einen Abstand 702 von einem Mittelpunkt des Beobachtungsvolumens 701 auf. Der Abstand 703 der Permanentmagneten 711, 712 und der optischen Achse 721 des Mikroskops 700 stellt ausreichend Raum zur Verfügung, um eine im Beobachtungsvolumen 701 befindliche Probe auswechseln zu können. Weiter ist eine Mikrowellenquelle 37 vorgesehen, mit der weitere Experimente an der Probe durchgeführt werden können.
8 zeigt eine Magnetfeldvorrichtung 810, welche drei Permanentmagneten 811, 812, 813 umfasst, welche rotationssymmetrisch um einen Mittelpunkt eines Beobachtungsvolumens 801 angeordnet sind. Der Abstand 803 der Permanentmagneten 811, 812, 813 von dem Mittelpunkt des Beobachtungsvolumens 801 beträgt dabei ca. 5 cm.
Die Permanentmagneten 811, 812, 813 der Magnetfeldvorrichtung 810 sind jeweils um Drehachsen 871, 872, 873 drehbar, wobei die Drehachsen 871, 872, 873 in einer gemeinsamen Ebene liegen. Die Drehachse 871, 872, 873 sind dabei jeweils senkrecht zu einer Hauptrichtung eines Demagnetisierungsfeldes der Permanentmagneten 811, 812, 813 ausgerichtet. Durch Drehung der Permanentmagneten 811, 812 ,813 um die Drehachsen 871, 872, 873 ist es möglich, das Magnetfeld innerhalb des Beobachtungsvolumens 801 gezielt zu beeinflussen und zu verändern.
In der 9 ist eine weitere Magnetfeldvorrichtung 910 mit Permanentmagneten 911, 912, 913, 914 dargestellt. Die Magneten 911, 912, 913, 914 sind in einem Abstand 903 vom Mittelpunkt eines Beobachtungsvolumens 901 angeordnet. Die Permanentmagneten 911, 912, 913, 914 lassen sich jeweils um eine Drehachse 971, 972, 973, 974 mit hier nicht dargestellten Mitteln drehen, um das Magnetfeld, das heißt die magnetische Flussdichte, im Beobachtungsvolumen 901 zu beeinflussen. Dabei sind die Drehachsen 971, 972, 973, 974 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Die Drehachsen 971 und 973 sind dabei parallel angeordnet. Ebenso sind die Drehachsen 982 und 974 zueinander parallel angeordnet. Allerdings sind die Drehachse 971 und 972 bzw. 973 und 974 zueinander senkrecht ausgerichtet. Die Drehachsen 971, 972, 973, 974 sind senkrecht zu einer Hauptrichtung des Demagnetisierungsfeldes der Permanentmagneten 911, 912, 913, 914 angeordnet.
10 zeigt eine weitere Magnetfeldvorrichtung 1010. Die Magnetfeldvorrichtung als 1010 umfasst die Permanentmagneten 1011,1012, 1013 und 1014. Die Drehachsen 1071, 1072, 1073, 1074 zeigen dabei jeweils von einem Mittelpunkt des Beobachtungsvolumens 1001 weg. Dabei sind die Drehachsen in 1071, 1072, 1073, 1074 in einer gemeinsamen Ebene angeordnet.
11 zeigt eine weitere Magnetfeldvorrichtung 1110. Die Magnetfeldvorrichtung 1110 umfasst ebenfalls vier Permanentmagneten 1111, 1112, 1113, 1114. Diese Permanentmagneten 1111, 1112, 1113, 1114 sind symmetrisch um das Beobachtungsvolumen 1101 angeordnet. Im Unterschied zu der Magnetfeldvorrichtung 1010 sind die Drehachsen 1171, 1172, 1173, 1174 der Permanentmagneten 1111, 1112, 1113, 1114 nicht alle in der gleichen Ebene angeordnet. Die Drehachsen 1171, 1172, 1173, 1174 erstrecken sich senkrecht zu einer Ebene, in welcher alle Mittelpunkte der Permanentmagneten 1111, 1112, 1113, 1114 angeordnet sind.
In der 12 ist mithilfe von normalisierten Feldvektoren dargestellt, dass sich mit der in der 8 dargestellten Magnetfeldvorrichtung 910 sämtliche magnetischen Flussrichtungen innerhalb des Beobachtungsvolumens erzeugen lassen. In der 13 ist dargestellt, bei welchem Bereich sich die elektrische Flussdichte für eine gegebene Ausrichtung des Feldes in Polarkoordinaten δ und φ variieren lässt. Dabei ist erkennbar, dass in einigen Richtungen keine kontinuierliche Änderung der Stärke der magnetischen Flussdichte erzielbar ist. In den 14, 15; 16, 17; und 18, 19 ist erkennbar, dass sich mit den in den 9 bis 11 dargestellten Magnetfeldvorrichtungen 910, 1010 und 1110 mit jeweils vier Permanentmagneten ebenfalls sämtliche magnetische Flussrichtungen im Beobachtungsvolumen darstellen lassen. Darüber hinaus wird deutlich, dass sich für die unterschiedlichen Richtungen die Stärke der magnetischen Flussdichte kontinuierlich ändern lässt.
Einige Ausführungsbeispiele werden durch die nachfolgenden Beispiele definiert:

Beispiel 1. Magnetfeldvorrichtung zur Einstellung der Orientierung und der Stärke des magnetischen Flusses in einem Beobachtungsvolumen, wobei die Magnetfeldvorrichtung wenigstens drei Permanentmagneten umfasst, wobei die Magnetfeldvorrichtung Mittel zur Änderung der relativen Lage und/oder Orientierung der Permanentmagneten umfasst.
Beispiel 2. Magnetfeldvorrichtung nach Beispiel 1, wobei die Permanentmagneten in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.
Beispiel 3. Magnetfeldvorrichtung nach Beispiel 1 oder 2, wobei die Magnetfeldvorrichtung vier Permanentmagneten umfasst.
Beispiel 4. Magnetfeldvorrichtung nach einem der Beispiele 1 bis 3, wobei die Permanentmagneten in einem nicht magnetischen Material, insbesondere einem Kunststoff, eingebettet sind.
Beispiel 5. Magnetfeldvorrichtung nach einem der Beispiele 1 bis 4, wobei wenigstens einer der Permanentmagneten, vorzugsweise alle Permanentmagneten, um eine Drehachse drehbar ist.
Beispiel 6. Magnetfeldvorrichtung nach Beispiele 5, wobei die Drehachsen der Permanentmagneten in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.
Beispiel 7. Magnetfeldvorrichtung nach Beispiel 5 oder 6, wobei wenigstens zwei Drehachsen senkrecht zueinander angeordnet sind.
Beispiel 8. Magnetfeldvorrichtung nach Beispiel 5, wobei die Drehachsen der Permanentmagneten senkrecht zu einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.
Beispiel 9. Magnetfeldvorrichtung nach einem der Beispiele 5 bis 8, wobei wenigstens zwei Drehachsen der Permanentmagneten parallel zu einander angeordnet sind.
Beispiel 10. Magnetfeldvorrichtung nach Beispiel 5, wobei die Drehachse senkrecht zu einer Hauptachse eines Demagnetisierungsfeldes des Permanentmagneten orientiert ist.
Beispiel 11. Magnetfeldvorrichtung nach einem der Beispiele 1 bis 10, wobei die Permanentmagneten rotationssymmetrisch um eine Symmetrieachse angeordnet sind.
Beispiel 12. Magnetfeldvorrichtung nach Beispiel 11, wobei ein Abstand zwischen Mittelpunkten der Permanentmagneten und der Symmetrieachse mehr als 2 cm und weniger als 12 cm beträgt, insbesondere mehr als 3 cm und weniger als 8 cm beträgt.
Beispiel 13. Magnetfeldvorrichtung (910) nach einem der Beispiele 1 bis 12, wobei ein Material der Permanentmagneten (911, 912, 913, 914) Neodym umfasst.
Beispiel 14. Magnetfeldvorrichtung (910) nach einem der Beispiele 1 bis 13, wobei ein Volumen wenigstens eines der Permanentmagneten (911, 912, 913, 914) zwischen 2 cm³ und 12 cm³, insbesondere zwischen 3 cm³ und 10 cm³ liegt.
Beispiel 15. Magnetfeldvorrichtung (910) nach einem der Beispiele 1 bis 14, wobei wenigstens einer der Permanentmagneten (911, 912, 913, 914) eine zylinderförmige, insbesondere kreiszylinderförmige, oder würfelförmige oder kugelförmige Form hat.
Beispiel 16. Mikroskop (400) mit einer Magnetfeldvorrichtung (910) nach einem der Beispiele 1 bis 15, wobei das Mikroskop (400) zur optischen Beobachtung eines Probenvolumens innerhalb des Beobachtungsvolumen eingerichtet ist.
Beispiel 17. Mikroskop (400) nach Beispiel 16, wobei das Mikroskop (400) einen Kryostaten (440) umfasst, wobei das Beobachtungsvolumen (401) im Kryostaten (440) angeordnet ist.
Beispiel 18 Mikroskop (400) nach Beispiel 17, wobei die Magnetfeldvorrichtung innerhalb des Kryostaten angeordnet ist, oder wobei die Magnetfeldvorrichtung (910) außerhalb des Kryostaten (440) angeordnet ist.
Beispiel 19. Mikroskop (400) nach einem der Beispiele 16 bis 18, wobei das Mikroskop (400) eine Mikrowellenquelle (430) umfasst.
Beispiel 20. Mikroskop (500) nach einem der Beispiele 16 bis 19, wobei das Mikroskop (500) ein Konfokalmikroskop, insbesondere ein Weitfeld-Konfokalmikroskop ist.
Beispiel 21. Mikroskop (500) nach einem der Beispiele 16 bis 20, wobei das Mikroskop (500) zur Immersionsmikroskopie eingerichtet ist.
Beispiel 22. Mikroskop (600) nach einem der Beispiele 1 bis 20, wobei das Mikroskop (600) ein Rasterkraftmikroskop umfasst, wobei das Rasterkraftmikroskop eine Messspitze (650) umfasst, wobei die Messspitze (650) magnetfeldabhängige optische Eigenschaften hat, und wobei die Messspitze (650) im Beobachtungsvolumen angeordnet ist.

Claims

Magnetfeldvorrichtung (810) zur Einstellung der Orientierung und der Stärke des magnetischen Flusses in einem Beobachtungsvolumen (801), wobei die Magnetfeldvorrichtung (810) wenigstens drei Permanentmagneten (811, 812, 813) umfasst, wobei die Magnetfeldvorrichtung (811, 812, 813) Mittel zur Änderung der relativen Lage und/oder Orientierung der Permanentmagneten (811, 812, 813) umfasst.
Magnetfeldvorrichtung (810) nach Patentanspruch 1, wobei die Permanentmagneten (411, 412) in einer gemeinsamen Ebene (481) angeordnet sind.
Magnetfeldvorrichtung (910) nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei die Magnetfeldvorrichtung (910) vier Permanentmagneten (911, 912, 913, 914) umfasst.
Magnetfeldvorrichtung (910) nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, wobei die Permanentmagneten (911, 912, 913, 914) in einem nicht magnetischen Material, insbesondere einem Kunststoff, eingebettet sind.
Magnetfeldvorrichtung (910) nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, wobei wenigstens einer der Permanentmagneten (911, 912, 913, 914), vorzugsweise alle Permanentmagneten (911, 912, 913, 914), um eine Drehachse (971, 972, 973, 974) drehbar ist.
Magnetfeldvorrichtung (910) nach Patentanspruch 5, wobei die Drehachsen (971, 972, 973, 974) der Permanentmagneten (911, 912, 913, 914) in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.
Magnetfeldvorrichtung (910) nach Patentanspruch 5 oder 6, wobei wenigstens zwei Drehachsen (971, 972) senkrecht zueinander angeordnet sind.
Magnetfeldvorrichtung (1110) nach Patentanspruch 5, wobei die Drehachsen (1171, 1172, 1173, 1174) der Permanentmagneten (1111, 1112, 1113, 1114) senkrecht zu einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.
Magnetfeldvorrichtung (910) nach einem der Patentansprüche 5 bis 8, wobei wenigstens zwei Drehachsen (971, 973) der Permanentmagneten (911, 913) parallel zu einander angeordnet sind.
Magnetfeldvorrichtung (910) nach Patentanspruch 5, wobei die Drehachse (971, 972, 973, 974) senkrecht zu einer Hauptachse eines Demagnetisierungsfeldes des Permanentmagneten (911, 912, 913, 914) orientiert ist.
Magnetfeldvorrichtung (910) nach einem der Patentansprüche 1 bis 10, wobei die Permanentmagneten (911, 912, 913, 914) rotationssymmetrisch um eine Symmetrieachse angeordnet sind.
Magnetfeldvorrichtung (910) nach Patentanspruch 11, wobei ein Abstand (903) zwischen Mittelpunkten der Permanentmagneten (911, 912, 913, 914) und der Symmetrieachse mehr als 2 cm und weniger als 12 cm beträgt, insbesondere mehr als 3 cm und weniger als 8 cm beträgt.
Magnetfeldvorrichtung (910) nach einem der Patentansprüche 1 bis 12, wobei ein Material der Permanentmagneten (911, 912, 913, 914) Neodym umfasst.
Magnetfeldvorrichtung (910) nach einem der Patentansprüche 1 bis 13, wobei ein Volumen wenigstens eines der Permanentmagneten (911, 912, 913, 914) zwischen 2 cm³ und 12 cm³, insbesondere zwischen 3 cm³ und 10 cm³ liegt.
Magnetfeldvorrichtung (910) nach einem der Patentansprüche 1 bis 14, wobei wenigstens einer der Permanentmagneten (911, 912, 913, 914) eine zylinderförmige, insbesondere kreiszylinderförmige, oder würfelförmige oder kugelförmige Form hat.
Mikroskop (400) mit einer Magnetfeldvorrichtung (910) nach einem der Patentansprüche 1 bis 15, wobei das Mikroskop (400) zur optischen Beobachtung eines Probenvolumens innerhalb des Beobachtungsvolumens eingerichtet ist.
Mikroskop (400) nach Patentanspruch 16, wobei das Mikroskop (400) einen Kryostaten (440) umfasst, wobei das Beobachtungsvolumen (401) im Kryostaten (440) angeordnet ist.
Mikroskop (400) nach Patentanspruch 17, wobei die Magnetfeldvorrichtung innerhalb des Kryostaten angeordnet ist, oder wobei die Magnetfeldvorrichtung (910) außerhalb des Kryostaten (440) angeordnet ist.
Mikroskop (400) nach einem der Patentansprüche 16 bis 18, wobei das Mikroskop (400) eine Mikrowellenquelle (430) umfasst.
Mikroskop (500) nach einem der Patentansprüche 16 bis 19, wobei das Mikroskop (500) ein Konfokalmikroskop, insbesondere ein Weitfeld-Konfokalmikroskop ist.
Mikroskop (500) nach einem der Patentansprüche 16 bis 20, wobei das Mikroskop (500) zur Immersionsmikroskopie eingerichtet ist.
Mikroskop (600) nach einem der Patentansprüche 1 bis 20, wobei das Mikroskop (600) ein Rasterkraftmikroskop umfasst, wobei das Rasterkraftmikroskop eine Messspitze (650) umfasst, wobei die Messspitze (650) magnetfeldabhängige optische Eigenschaften hat, und wobei die Messspitze (650) im Beobachtungsvolumen angeordnet ist.