DE102020201739A1

DE102020201739A1 - Verfahren und Sensorvorrichtung zur Magnetfeldmessung

Info

Publication number: DE102020201739A1
Application number: DE102020201739.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Brenneis
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-02-12
Filing date: 2020-02-12
Publication date: 2021-08-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Magnetfeldmessung, bei dem ein Kristallkörper (100) mit Farbzentren mittels sichtbaren Lichts (210) und mittels eines magnetischen Wechselfeldes (B1) angeregt wird, und bei dem von dem Kristallkörper (100) ausgesendetes Fluoreszenzlicht (220) erfasst wird, wobei wenigstens eine Lenz-Linse (120) verwendet wird, um das magnetische Wechselfeld (B1) zumindest in einem Bereich eines optisch aktiven Volumens (101) des Kristallkörpers (100) auf eine bestimmte Eigenschaft einzustellen, sowie eine Sensorvorrichtuna hierzu.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Magnetfeldmessung, bei dem ein Kristallkörper mit Farbzentren mittels sichtbaren Lichts und mittels Mikrowellen angeregt wird und von dem Kristallkörper ausgesendetes Fluoreszenzlicht erfasst wird, sowie eine entsprechende Sensorvorrichtung zur Magnetfeldmessung.
Stand der Technik
Farbzentren wie beispielsweise Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in einem Kristallkörper, insbesondere einem Diamanten bzw. Diamantgitter, auch als NV-Zentren (NV steht dabei für „Nitrogen Vacancy“) bezeichnet, können beispielsweise auf dem Gebiet der Sensorik angewendet werden. Durch Anregung solcher NV-Zentren mit Licht, insbesondere grünem Licht, und z.B. Mikrowellenstrahlung (die ein magnetisches Wechselfeld erzeugt) kann eine magnetfeldabhängige Fluoreszenz derselben beobachtet werden. Andere Beispiele derartiger Farbzentren sind Defektzentren in SiC oder SiV in Diamant.
Das negativ geladene NV-Zentrum in Diamant kann generell zur hochempfindlichen Messung von Magnetfeldern, elektrischen Feldern, mechanischen Spannungen und Temperatur genutzt werden. Derartige Quantentechnologien bieten gegenüber klassischen Sensorprinzipien entscheidende Vorteile, die das disruptive Potential der Quantentechnologie unterstreichen. Bei den NV-Zentren bestehen konkret die Vorteile einer ultrahohen Empfindlichkeit (mitunter < 1 pT/√Hz), einer Vektormagnetometrie (d.h. einer Richtungsbestimmung des Magnetfelds), eines hohen Messbereichs (> 1 T), einer Linearität (über den Zeemaneffekt) sowie das Fehlen einer Degradation, da die Messung auf quantenmechanischen Zuständen beruht (ähnlich wie beim Wasserstoffatom, bei dem die Rydbergkonstante eine fixe Energie ist, die für alle Atome eine orts- und zeitunabhängige Konstante ist).
Um einen auf NV-Zentren basierenden Sensor auszulesen, wird die magnetische Resonanz des Triplets des Grundzustands optisch detektiert (ODMR, optically detected magnetic resonance). Dazu kann das NV-Zentrum mit grünem Licht angeregt werden. Das rot-verschobene Fluoreszenzlicht zeigt dabei einen charakteristischen Dip bei der energetischen Lage der Elektronenspin-Resonanz. Die Lage ist auf Grund des Zeeman-Effekts linear abhängig vom magnetischen Feld. Damit lässt sich ein hochempfindlicher Magnetfeldsensor konstruieren.
NV-Zentren in Diamant besitzen eine besonders hohe Magnetfeldempfindlichkeit, welche dazu genutzt werden kann, vielfältige bestehende Produkte zu verbessern (z.B. Suchgeräte für elektrische Leitungen in Wänden oder Strommessung von Fahrzeugbatterien), oder auch um neue Produkte zu realisieren, wie zum Beispiel eine kontaktlose Mensch-Maschine-Schnittstelle, die Ströme bzw. Steuersignale aus dem Gehirn nachweist und auswertet.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und eine Sensorvorrichtung zur Magnetfeldmessung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Magnetfeldmessung, bei dem ein Kristallkörper mit Farbzentren mittels sichtbaren Lichts und mittels eines magnetischen Wechselfeldes angeregt wird und bei dem von dem Kristallkörper ausgesendetes Fluoreszenzlicht erfasst wird. Zum Erzeugen des magnetischen Wechselfeldes können insbesondere Mikrowellen verwendet werden. Als Kristallkörper mit Farbzentren kommt dabei insbesondere ein Diamant bzw. Diamantgitter mit den bereits erwähnten sog. NV-Zentren (Stickstoff-Fehlstellen) in Betracht.
Eine entsprechende Sensorvorrichtung zur Magnetfeldmessung weist einen Kristallkörper mit Farbzentren, eine Lichterzeugungseinrichtung zum Erzeugen von sichtbarem Licht zur Anregung des Kristallkörpers, eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes, um den Kristallkörper anzuregen, und einen Detektor zum Erfassen von von dem Kristallkörper ausgesendetem Fluoreszenzlicht auf. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung kann insbesondere eine Hochfrequenzeinrichtung zum Erzeugen von Mikrowellen umfassen.
Nachfolgend werden das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Sensorvorrichtung auch übergreifend beschrieben.
Das magnetische Wechselfeld, das für die Elektronenspinresonanz von NV-Zentren benötigt wird, kann grundsätzlich mittels einer einfachen, z.B. händisch gewickelten bzw. geformten, Leiterschleife an den Kristallkörper geführt werden. Es kann auch eine Mikrowellenleiterstruktur, z.B. ein Streifenleiter, verwendet werden, um das magnetische Wechselfeld von der Magnetfelderzeugungseinrichtung bzw. vom Wechselfeldgenerator zum Kristallkörper, z.B. zum Diamant, zu führen.
Hierbei konnten jedoch zwei wesentliche Nachteile identifiziert werden. Zum einen besitzt ein auf diese Weise erzeugtes magnetisches Wechselfeld einen starken Gradienten, der für eine inhomogene Anregung der NV- Zentren im Kristallkörper bzw. Diamant sorgt und damit den Kontrast der optisch detektierten magnetischen Resonanz reduziert und so die Linienbreite der Resonanz erhöht. Beide Effekte wirken sich negativ auf die Sensitivität eines solchen Verfahrens bzw. einer solchen Sensorvorrichtung zur Magnetfeldmessung aus.
Zum anderen ist es schwierig, den Mikrowellenleiter engumfassend um das optisch aktive Volumen des Kristallkörpers bzw. Diamanten zu führen. Dies wird zudem durch einen typischerweise vorhandenen Luftspalt, der zur Toleranz beim Aufbau der diskreten Elemente dient, sowie dadurch, dass das optisch aktive Volumen kleiner sein kann, als der Kristallkörper (z.B. um ein einfacheres Hantieren bei der Aufbau- und Verbindungstechnik zu ermöglichen), erschwert. Unter einem optisch aktiven Volumen ist dasjenige Volumen bzw. derjenigen Teil des Kristallkörpers zu verstehen, das bzw. der durch das sichtbare Licht beleuchtet bzw. ausgeleuchtet wird.
Es wird nun vorgeschlagen, dass wenigstens eine Lenz-Linse verwendet bzw. vorgesehen wird, um das magnetische Wechselfeld zumindest in einem Bereich des optisch aktiven Volumens des Kristallkörpers auf eine bestimmte, gewünschte Eigenschaft einzustellen bzw. hinsichtlich der bestimmten, gewünschten Eigenschaft zu optimieren bzw. zu verbessern. Es versteht sich, dass dies insbesondere auch für das gesamte optisch aktive Volumen und darüber hinaus gelten kann.
Hierbei wurde erkannt, dass die Verwendung einer Lenz-Linse das magnetische Wechselfeld, wie es vorstehend näher erläutert wurde und wie es für das Funktionsprinzip des betreffenden Verfahrens bzw. der betreffenden Sensorvorrichtung nötig ist, insbesondere im Bereich des optisch aktiven Volumens gezielt verbessert bzw. optimiert werden kann. Unter einer Einstellung einer bestimmten Eigenschaft bzw. Verbesserung oder Optimierung des magnetischen Wechselfeldes ist dabei insbesondere zu verstehen, dass das magnetische Wechselfeld fokussiert und/oder homogenisiert und/oder auf das optische Volumen gelenkt wird.
Bei einer Lenz-Linse handelt es sich um eine elektrisch leitende Struktur (aus elektrisch leitendem Material), die in einer Schicht (meist auch einer Ebene) angeordnet ist und die auf dem Lenzschen Prinzip bzw. Gesetz beruht, wonach durch das (im vorliegenden Fall durch die Magnetfelderzeugungseinrichtung erzeugte) magnetische Wechselfeld durch induktive Kopplung in der elektrisch leitenden Struktur eine Spannung induziert wird, die wiederum ein magnetisches Feld hervorruft.
Durch die geometrische Form der elektrisch leitenden Struktur, wie sie für eine Lenz-Linse typisch ist, wird das magnetische Wechselfeld zwar innerhalb einer Leiterschleife, die die leitende Struktur bildet bzw. in der von dieser (geschlossenen) Leiterschleife umschlossenen Fläche, abgeschwächt, außerhalb der Leiterschleife wird das magnetische Wechselfeld jedoch verstärkt bzw. dessen Amplitude wird erhöht. Wie nachfolgend noch näher erläutert, muss die Leiterschleife nicht notwendigerweise eine Schleife im geometrischen Sinne sein.
Dies wird durch eine gezielte Ausbildung und Anordnung der elektrisch leitenden Struktur bzw. der Lenz-Linse nun genutzt, um das magnetische Wechselfeld zumindest in einem Bereich des optisch aktiven Volumens des Kristallkörpers zu verbessern, insbesondere zu fokussieren und/oder zu homogenisieren. Es versteht sich, dass auch mehrere solcher Lenz-Linsen verwendet werden können, beispielsweise eine Lenz-Linse auf einer Oberseite und eine Lenz-Linse auf einer Unterseite des Kristallkörpers. Durch eine zueinander verkippte Anordnung mehrerer Lenz-Linsen kann das magnetische Wechselfeld auch gelenkt bzw. umgelenkt werden, also z.B. gezielt auf das optisch aktive Volumen des Kristallkörpers.
Wie schon erwähnt, handelt es sich bei der Lenz-Linse um eine elektrisch leitende Struktur. Diese kann insbesondere als eine Schicht aus elektrisch leitendem Material wie Gold, Silber oder Kupfer verwendet werden, die um und/oder auf dem Kristallkörper angeordnet wird. Grundsätzlich kann eine solche Lenz-Linse bzw. die elektrisch leitende Struktur nun in Form zumindest einer Leiterschleife, also insbesondere aus einem dünnen bzw. drahtförmigen Leiter, ausgebildet sein. Dabei weist die elektrisch leitende Struktur dann insbesondere einen geometrisch innerhalb der elektrisch leitenden Struktur angeordneten und elektrisch außerhalb der zumindest einen geschlossenen Leiterschleife liegenden Bereich auf, der dann insbesondere am optisch aktiven Volumen angeordnet ist. Eine typische Form ist dabei eine ringförmige Anordnung der Leiterschleife, die dann den erwähnten Bereich umgibt, wobei der Bereich aber - damit er elektrisch außerhalb liegt - eine (geometrische) Verbindung (die keine von der Leitschleife umschlossene Fläche bildet) nach außen aufweist. Neben einer einzelnen Leiterschleife können auch mehrere verwendet werden, wie später noch anhand der Figuren gezeigt wird.
Ebenso kann eine solche Lenz-Linse bzw. die elektrisch leitende Struktur aber in Form eines flächig ausgebildeten Leiters, also einer Art dünnen Platte, mit einer Ausnehmung bzw. einem Loch ausgebildet sein. Das Funktionsprinzip entspricht dann derjenigen der Leiterschleife, wobei der Stromfluss in dem flächig ausgebildeten Leiter im Wesentlichen an dessen Rändern erfolgt. Die Ausnehmung entspricht dann dem elektrisch außerhalb der Leiterschleife gelegenen Bereich. Auch hier können mehrere solcher flächigen Leiter verwendet werden, wie später noch anhand der Figuren gezeigt wird. Im Fall des flächig ausgebildeten Leiters kann die Ausnehmung besonders vorteilhaft zudem als Apertur für das sichtbare Licht verwendet werden.
Durch die fokussierende Wirkung kann, wie erwähnt, die Amplitude des magnetischen Wechselfeldes erhöht werden, was zu einer höheren Sensitivität und/oder zur einer Leistungseinsparung bei der Auslegung z.B. der Mikrowellen- bzw. Hochfrequenzerzeugungseinrichtung oder allgemein der Magnetfelderzeugungseinrichtung und somit der gesamten Sensorvorrichtung führt. Des Weiteren kann durch bestimmte Anordnungen der Lenz-Linsen das magnetische Wechselfeld homogenisiert werden. Dies führt zu einer Erhöhung des Signals (Kontrast) der optisch detektierten magnetischen Resonanz und beugt einer Linienverbreiterung durch überhöhte Mikrowellenleistung vor.
Lenz-Linsen erlauben damit eine effiziente Miniaturisierung von Quantensensoren, die auf optisch detektierten magnetischen Resonanzen beruhen, da diese aufgrund ihrer einfachen Struktur sehr flexibel an die Anwendung angepasst und kostengünstig abgeschieden bzw. erzeugt werden können. NV-Zentren in Diamant und damit die vorgeschlagenen Sensorvorrichtung können auch für besonders kleine (sog. nanoskalige) NMR-Anwendungen („Nuclear Magnetic Resonance“) eingesetzt werden, was z.B. eine chemische Analyse einzelner Moleküle ermöglicht. Bei Messungen, bei denen nur ein sehr kleines Probenvolumen untersucht wird (z.B. wenige Nanometer) bieten Lenz-Linsen auch eine besonders gute Möglichkeit, das notwendige magnetische Wechselfeld zu konzentrieren (beispielswiese auf einen Raum von Mikrometern).
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt schematisch einen Kristallkörper mit einem Defekt, wie er im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens oder bei einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung verwendet werden kann.
2 bis 7 zeigen Energieschemata und Diagramme zu Fluoreszenzeigenschaften von Kristallkörpern mit Defekten.
8 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform.
9 zeigt schematisch verschiedene Lenz-Linsen, die im Rahmen der Erfindung verwendet werden können.
10 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
11 und 12 zeigen verschiedene bevorzugten Anwendungen von Lenz-Linsen im Rahmen der Erfindung.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist schematisch ein Kristallkörper 100 mit einem als Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (Nitrogen-Vacancy-Zentrum bzw. NV-Zentrum) ausgebildeten Defekt bzw. Farbzentrum, wie er im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. bei einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung verwendet werden kann, dargestellt. Bei dem Kristallkörper 100 handelt es sich beispielhaft um einen Diamant bzw. ein Diamantgitter, welcher idealerweise nur Kohlenstoffatome aufweist. Bei einem solchen NV-Zentrum sind nun jedoch ein Kohlenstoffatom durch ein Stickstoffatom (N) 110 und ein nächster Nachbar durch eine Fehlstelle (V) 115 ersetzt. Zusammen bilden diese beiden Positionen im Diamantgitter den Defekt - das NV-Zentrum. Es versteht sich, dass ein solcher Kristallkörper 100 weitere solche NV-Zentren aufweisen kann.
In den 2 bis 7 sind nun Energieschemata und Diagramme zu Fluoreszenzeigenschaften von Kristallkörpern, wie beispielhaft in Bezug auf 1 beschrieben und im Rahmen der Erfindung verwendet, dargestellt.
In 2 ist hierzu ein Energieschema 200 ohne Hochfrequenzsignalanregung bzw. ohne Mikrowellenanregung (das zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes dient) und ohne Magnetfeldanregung gezeigt, wobei sichtbares Licht bzw. Anregungslicht 210, ein Fluoreszenzsignal bzw. Fluoreszenzlicht 220 und drei Zustände ³A, ³E und ¹A sowie jeweilige von Elektronen besetzbare Energieniveaus ms=0 und ms=±1 für die Zustände ³A und ³E dargestellt sind.
In 3 ist ein Diagramm 300 zu dem Energieschema aus 2 dargestellt. In dem Diagramm 300 ist an der Abszissenachse 302 beispielhaft eine Mikrowellenfrequenz, beispielsweise in Megahertz (MHz) oder Gigahertz (GHz), aufgetragen. An der Ordinatenachse 304 ist eine Fluoreszenz in beliebigen Einheiten aufgetragen, wobei ein zur Ordinatenachse 304 paralleler Pfeil 306 ein ansteigendes (statisches) Magnetfeld B symbolisiert.
Ferner sind in 3 beispielhaft vier Kennlinien bzw. Graphen 310, 312, 314 und 316 dargestellt, die einen Fluoreszenzverlauf für unterschiedlich starke Magnetfelder repräsentieren. Ein erster Graph 310 repräsentiert ein Magnetfeld mit der Stärke 0, d.h. B=0, ein zweiter Graph 312 repräsentiert beispielsweise ein Magnetfeld der Stärke 2,8 mT, ein dritter Graph 314 repräsentiert beispielsweise ein Magnetfeld der Stärke 5,8 mT, und ein vierter Graph 360 repräsentiert beispielsweise ein Magnetfeld der Stärke 8,3 mT.
Minima einer Fluoreszenz sind lediglich beispielhaft für den zweiten Graphen 312 mit ω₁ und ω₂ bezeichnet. Eine Markierung 320 auf dem ersten Graphen 310 repräsentiert den Sachverhalt aus dem Energieschema gemäß 2, d.h. ohne Magnetfeld (B=0) und ohne Mikrowellenanregung bzw. einer Mikrowellenfrequenz, die von 2,9 GHz verschieden ist (d.h. f≠2,9 GHz). Die mit ansteigendem Magnetfeld aufgeteilten Minima der Kennlinien bzw. die Zunahme des Frequenzabstandes dieser Minima liegt in der mit zunehmendem Magnetfeld weiteren Aufspaltung der Energieniveaus ms=±1, wie oben erwähnt, begründet.
In 4 ist ein Energieschema 400 mit zusätzlicher Mikrowellenanregung (und damit hervorgerufenem magnetischen Wechselfeld) und ohne Anregung mit statischem Magnetfeld dargestellt, wobei sichtbares Licht bzw. Anregungslicht 210, eine Mikrowellenstrahlung bzw. Mikrowellen 430 und drei Zustände ³A, ³E und ¹A sowie jeweilige Energieniveaus ms=0 und ms=±1 für die Zustände ³A und ³E hinsichtlich Elektronen dargestellt sind.
In 5 ist ein Diagramm 500 zu dem Energieschema aus 4 gezeigt. Das Diagramm 500 in 5 entspricht hierbei dem Diagramm aus 3, mit dem Unterschied, dass eine Markierung 520 auf dem ersten Graphen 310 den Sachverhalt aus dem Energieschema von 4 repräsentiert, d.h. ohne (statisches) Magnetfeld (B=0), aber (im Vergleich zu 2 und 3) mit Mikrowellenanregung bzw. einer Mikrowellenfrequenz von f≈2,9 GHz.
Die Markierung 520 befindet sich hierbei in einem Bereich eines Minimums bzw. eines Fluoreszenzminimums des ersten Graphen 310. Diese Verschiebung gegenüber dem Sachverhalt gemäß 3 in das Minimum resultiert aus der erwähnten Mikrowellenanregung.
In 6 ist ein Energieschema 600 mit Mikrowellenanregung und mit Magnetfeld bzw. Anregung mit statischem Magnetfeld dargestellt, wobei sichtbares Licht bzw. Anregungslicht 210, Mikrowellenstrahlung bzw. Mikrowellen 430 und drei Zustände ³A, ³E und ¹A sowie jeweilige Energieniveaus ms=0, ms=-1 und ms=+1 für die Zustände ³A und ³E hinsichtlich Elektronen dargestellt sind. Durch das vorhandene Magnetfeld weisen die Zustände ³A und ³E hier jeweils ein weiteres Energieniveau auf, da die Energieniveaus ms=±1 hier aufgetrennt sind.
Die Mikrowellenfrequenz kann hier f≈2,8 GHz oder f≈3,0 GHz betragen, wodurch die Elektronen im gezeigten Beispiel vom Niveau ³A, ms=0 in das Niveau ³A, ms=-1 bzw. ms=+1 gehoben werden können.
In 7 ist ein Diagramm 700 zu dem Energieschema aus 6 gezeigt. Das Diagramm 700 in 7 entspricht hierbei dem Diagramm aus 3 bzw. 5, mit dem Unterschied, dass zwei Markierungen 720 und 725 auf dem zweiten Graphen 312 den Sachverhalt aus dem Energieschema von 6 repräsentieren, d.h. mit einem (statischen) Magnetfeld (d.h. B≠0) und mit variabler Mikrowellenanregung bzw. variabler Mikrowellenfrequenz.
Die Markierungen 720 und 725 sind jeweils in einem Bereich eines Minimums bzw. Fluoreszenzminimums des zweiten Graphen 312 angeordnet. Beispielsweise ist eine erste Markierung 720 im Bereich eines ersten Minimums ω₁ angeordnet und eine zweite Markierung 725 ist im Bereich eines zweiten Minimums ω₂ angeordnet (vgl. auch 5 zur Lage dieser Minima).
Unter Bezugnahme auf die 2 bis 7 sind also mit anderen Worten und zusammenfassend ausgedrückt Energieschemata und Diagramme hinsichtlich der Funktionsweise einer Magnetfeldmessung über eine Fluoreszenzmessung bei zusätzlicher Mikrowellenanregung bzw. ein Beispiel für eine Messung von (statischen) Magnetfeldern gezeigt. Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamant weisen das in dem Diagramm bzw. im Energieschema 200 gemäß 2 gezeigte Energiespektrum bei Raumtemperatur auf.
Im Normalzustand, d.h. ohne Mikrowellenanregung und ohne (externes, statisches)) Magnetfeld, zeigt eine Stickstoff-Fehlstelle bei optischer Anregung eine Fluoreszenz im roten Wellenlängenbereich bei einer Wellenlänge von 630 nm.
Strahlt man zusätzlich zu der optischen Anregung durch das Anregungslicht 210 noch Mikrowellenstrahlung 430 ein, so kommt es bei einer Frequenz von ca. 2,88 GHz zu einem Einbruch der Fluoreszenz, da die Elektronen in diesem Fall von dem Niveau m_s=±1 des Zustandes ³A auf das Niveau m_s=±1 des Zustandes ³E gehoben werden und von dort strahlungslos bzw. nicht-strahlend rekombinieren.
Bei einem externen Magnetfeld kommt es zu einer Aufspaltung des Niveaus ms=±1 (sog. Zeeman-Splitting bzw. Zeeman-Effekt) und es zeigen sich bei Auftragung der Fluoreszenz über die Frequenz der Mikrowellenanregung zwei Minima, beispielsweise die gezeigten Minima ω1 und ω2, im Fluoreszenzspektrum, deren Frequenzabstand proportional zur magnetischen Feldstärke B ist. Eine Magnetfeldsensitivität wird dabei durch eine minimal auflösbare Frequenzverschiebung definiert und kann bis zu 1 pT/√Hz erreichen.
Dieses Verfahren wird auch als ODMR (Optically Detected Magnetic Resonance bzw. optisch detektierte Magnetresonanz) bezeichnet. Hierbei kommt es bei einer Übereinstimmung der Mikrowellenfrequenz mit dem Energieabstand zwischen dem Zustand ³A, ms=0 und dem Niveau ms=±1 zu einem Einbruch der Fluoreszenz. Bei externem (statischem) Magnetfeld spaltet das Niveau ms=±1 auf und es existieren zwei definierte Mikrowellenfrequenzen, bei denen die Fluoreszenz abnimmt bzw. Minima vorliegen. Der Frequenzabstand ist dabei proportional zum Magnetfeld B.
Wie schon erwähnt, ist für die Genauigkeit der Messung auch ein entscheidender Punkt, ein möglichst homogenes und konzentriertes magnetisches Wechselfeld, das durch die Mikrowellen erzeugt wird, im Bereich des optischen aktiven Volumens des Kristalls zu erzeugen. Hier kommt nun die Erfindung mit der Lenz-Linse zum Einsatz.
In 8 ist schematisch eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung 800 zur Magnetfeldmessung in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Die Sensorvorrichtung 800 weist neben einem Kristallkörper 100 mit Farbzentren, wie schon in Bezug auf 1 näher erläutert wurde, eine Lichterzeugungseinrichtung 810, eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 820, und einen Detektor 870 auf.
Die Lichterzeugungseinrichtung 810 wiederum weist eine Lichtquelle 811 wie beispielsweise einen Laser auf, mittels welcher insbesondere grünes, sichtbares Licht 210 erzeugt werden kann. Dieses Licht 210 wird dann ggf. über eine Optik oder Linse 850 auf den Kristallkörper 100 mit den Farbzentren bzw. Stickstoff-Fehlstellen gelenkt.
Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 820 weist eine Hochfrequenzeinrichtung 821 auf, um Mikrowellen 430 erzeugen zu können, die dann auf den Kristallköper 100 eingestrahlt bzw. gelenkt werden, um dort ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen. Zudem ist eine Lenz-Linse 120 vorgesehen, die zur Verbesserung dieses magnetischen Wechselfeldes dient und hier nur schematisch angedeutet ist.
Von dem Kristallkörper 100 ausgesendetes Fluoreszenzlicht 220 wird dann ggf. über ein weitere Optik oder Linse 851, einen Filter 860 sowie noch eine weitere Optik oder Linse 852 auf den Detektor 870 gelenkt. Bei dem Detektor 870 kann es sich insbesondere um einen Photodetektor handeln. Über einen Analog-Digital-Wandler 871 kann ein vom Detektor 870 erzeugtes Signal einer Signalverarbeitungseinheit 872 zugeführt werden, um so Messergebnisse 873 zu erhalten.
In 9 sind schematisch verschiedene Lenz-Linsen 120, die im Rahmen der Erfindung verwendet werden können, dargestellt. In Abbildung (a) ist die Lenz-Linse als eine in einer Schicht angeordnete, elektrisch leitende Struktur ausgebildet, und zwar in Form eines flächig ausgebildeten Leiters 121 mit einem geometrisch innerhalb der elektrisch leitenden Struktur angeordneten Ausnehmung 128.
Die grundlegende Form der elektrisch leitenden Struktur bzw. des flächig ausgebildeten Leiters 121 ist dabei ringförmig mit einem äußeren Durchmesser OD und einem inneren Durchmesser ID, der dem Durchmesser der Ausnehmung 128 entspricht. Zudem ist eine Verbindung der Ausnehmung 128 nach außen hin in Form eines Schlitzes in dem flächig ausgebildeten Leiter 121 vorgesehen.
In Abbildung (b) ist die Lenz-Linse als eine in einer Schicht angeordnete, elektrisch leitende Struktur ausgebildet, und zwar in Form zweier flächig ausgebildeter Leiter 122 und 123, die jedoch zusammen - und damit als die elektrisch leitenden Struktur - ringförmig ausgebildet sind und ebenfalls eine Ausnehmung 128 aufweisen. Mit anderen Worten kann hier der flächig ausgebildete Leiter gemäß Abbildung (a) als durch einen weiteren Schlitz in zwei halbringförmige, flächig ausgebildete Leiter getrennt angesehen werden.
In Abbildung (c) ist die Lenz-Linse als eine in einer Schicht angeordnete, elektrisch leitende Struktur ausgebildet, und zwar in Form einer geschlossenen Leiterschleife 125. Die Form entspricht dabei im Grunde der äußeren Umrandung des flächig ausgebildeten Leiters gemäß Abbildung (a), sie ist also in etwa ringförmig. Die Leiterschleife 125 ist dabei derart geformt, dass ein Bereich 129 einerseits geometrisch innerhalb der elektrisch leitenden Struktur angeordnet ist, andererseits aber auch elektrisch außerhalb der zumindest einen geschlossenen Leiterschleife liegt, d.h. die Schleife ist so geformt, dass sie den Bereich 129 nicht mit der induktiv wirksamen Fläche einschließt.
In Abbildung (d) ist die Lenz-Linse als eine in einer Schicht angeordnete, elektrisch leitende Struktur ausgebildet, und zwar in Form zweier geschlossener Leiterschleifen 126 und 127, die jedoch zusammen - und damit als die elektrisch leitende Struktur - in etwa ringförmig ausgebildet sind und ebenfalls einen Bereich 129 aufweisen, der (elektrisch) nicht von den Leiterschleifen umschlossen ist. Die Form entspricht dabei im Grunde den äußeren Umrandungen der flächig ausgebildeten Leiter gemäß Abbildung (b).
In Abbildung (e) sind zur Erläuterung des Funktionsprinzips zwei Lenz-Linsen 120 - beispielhaft solche gemäß Abbildung (b) - dargestellt, die übereinander angeordnet und insgesamt innerhalb eines Helmholtzspulenpaars 130, 131 vorgesehen sind. Durch einen Wechselstrom I in dem Helmholtzspulenpaar 130, 131 wird ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, an das die beiden Lenz-Linsen 120 induktiv koppeln und wodurch in den beiden Lenz-Linsen jeweils ein induzierter Strom I' hervorgerufen wird, und zwar an den äußeren Rändern der jeweiligen, flächig ausgebildeten Leiter. Damit wird in dem Bereich der Ausnehmungen, also im gezeigten Beispiel im Bereich einer zentralen Achse Z, das durch das Helmholtzspulenpaar 130, 131 erzeugte magnetische Wechselfeld fokussiert und homogenisiert.
In 10 ist schematisch eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung 800 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dargestellt, und zwar in Abbildung (a) in einer Seiten- und Schnittansicht, und in Abbildung (b) in einer Draufsicht. Die Sensorvorrichtung 800 kann dabei grundsätzlich der Sensorvorrichtung gemäß 8 entsprechen, wobei hier zur Erläuterung teils andere Komponenten dargestellt sind. Nachfolgend sollen die Abbildungen (a) und (b) übergreifend beschrieben werden.
Der Kristallkörper bzw. Diamant 100 ist durch eine Haltestruktur 881 auf einer Platine bzw. einem Schaltungsträger (z.B. PCB, „Printed Circuit Board“) 880 gehalten. Zudem ist ein Mikrowellen-Leiter 882 vorgesehen, der den Kristallkörper 100 umgibt. Die hierdurch geleiteten Mikrowellen bzw. das dadurch erzeugte magnetische Wechselfeld B₁ werden im Zentrum des Kristallkörpers 100 durch die Lenz-Linse 120, hier in Form einer geschlossenen Leiterschleife 125, verstärkt. Dieses Zentrum bildet das optische Anregungsvolumen 101 des Diamanten 100.
Zusätzlich ist das sichtbare Licht 210 in Form eines Laserstrahls gezeigt, das zur optischen Anregung der NV-Zentren dient. Fluoreszenzlicht 220, das sich aus der optischen Anregung der NV-Zentren ergibt, wird durch einen Langpassfilter 860 gelenkt, der das grüne Anregungslicht blockiert und das Fluoreszenzlicht transmittiert. In dem Detektor 870 wird das Fluoreszenzlicht 220 dann detektiert.
Die Elektronenspinresonanz (ESR) von NV-Zentren in Diamant beruht auf der Kopplung des magnetischen Wechselfeldes B₁ mit dem Spin des NV-Zentrums. Diese Kopplung wird durch M ∝ µ ×B₁ (jeweils als Vektoren) beschrieben, wobei M das Drehmoment und µ das magnetische Moment sind.
Da die Elektronenspinresonanz optisch detektiert wird, können die Wahl und Kombination der beiden Anregungsenergien (magnetisches Wechselfeld und optische Intensität) entscheidend sein. Es gibt eine optimale Kombination der beiden Energieformen (Mikrowelle und optische Anregung), bei der unter kontinuierlichen Anregungsbedingungen die höchste Sensitivität erreicht wird.
Um ausreichend hohe optische Intensität zu erreichen, ist ein Laser als Lichtquelle gut geeignet, da sich sein Licht ausreichend stark fokussieren lässt. Ein solcher Laserstrahl gibt das optisch aktive Volumen im Diamanten vor. Um dieses effizient mit der Anregung durch das magnetische Wechselfeld zu kombinieren, kann mittels der Lenz-Linse das magnetische Wechselfeld B₁ in das optisch aktive Volumen eingekoppelt werden.
Das magnetische Wechselfeld induziert in der Leiterschleife der Lenz-Linse 120 einen Wechselstrom, der das magnetische Wechselfeld im Inneren der Leiterschleife (also im von der Leiterschleife umschlossenen Bereich) verdrängt und im Äußeren erhöht. Da sich das geometrische Zentrum der Leiterschleife (elektrisch) außerhalb der Leiterschleife befindet, wird dort das magnetische Wechselfeld erhöht. Diese Position (Volumen) ist bevorzugt in Deckung mit der optischen Anregung im Diamanten zu bringen.
In den 11 und 12 sind verschiedene bevorzugten Anwendungen von Lenz-Linsen im Rahmen der Erfindung dargestellt. In 11 (links eine Schnittansicht, rechts eine perspektivische Ansicht) ist beispielsweise der Kristallkörper 100 mit zwei Lenz-Linsen 120, hier in Form jeweils eine Leiterschleife 125, gezeigt. Die Anordnung von Lenz-Linsen in zwei oder mehr Schichten führt dazu, dass das magnetische Wechselfeld im Zentrum homogenisiert wird.
Das Prinzip ist dabei ähnlich wie bei einem Helmholtzspulenpaar. Die Sensitivität eines Sensors wird durch ein homogenes magnetisches Wechselfeld verbessert. Es ist denkbar, auf der Ober- und Unterseite des Diamanten die Linsen eines solchen Lenz-Linsenpaars aufzubringen, um das magnetische Wechselfeld im Inneren zu homogenisieren.
Es ist auch bevorzugt, wie in 12 dargestellt, die Richtung des magnetischen Wechselfelds B₁ mit mehreren Lenz-Linsen 120 umzulenken und gezielt auf das optisch aktive Volumen zu lenken.
Anstatt die Lenz-Linse(n) direkt auf dem Diamanten bzw. Kristallkörper aufzubringen, können diese auch auf einer dedizierten Trägerstruktur aufgebracht werden. Lens-Linsen sind auf Grund ihrer verschwindenden Kapazität breitbandig einsetzbar, wodurch eine Abhängigkeit von der Mikrowellenfrequenz vermieden wird.

Claims

Verfahren zur Magnetfeldmessung, bei dem ein Kristallkörper (100) mit Farbzentren (105, 110) mittels sichtbaren Lichts (210) und mittels eines magnetischen Wechselfeldes (B₁) angeregt wird, und bei dem von dem Kristallkörper (100) ausgesendetes Fluoreszenzlicht (220) erfasst wird, wobei wenigstens eine Lenz-Linse (120) verwendet wird, um das magnetische Wechselfeld (B₁) zumindest in einem Bereich eines optisch aktiven Volumens (101) des Kristallkörpers (100) auf eine bestimmte Eigenschaft einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Lenz-Linse (120) verwendet wird, um das magnetische Wechselfeld (B₁) zumindest in dem Bereich des optisch aktiven Volumens (101) des Kristallkörpers zu fokussieren und/oder zu homogenisieren und/oder auf das optische Volumen (101) zu lenken.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei für die wenigstens eine Lenz-Linse (120) wenigstens eine in einer Schicht angeordnete, elektrisch leitende Struktur verwendet wird, die um und/oder auf dem Kristallkörper (100) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die elektrisch leitende Struktur in Form zumindest einer geschlossenen Leiterschleife (125, 126, 127) mit einem geometrisch innerhalb der elektrisch leitenden Struktur angeordneten und elektrisch außerhalb der zumindest einen geschlossenen Leiterschleife liegenden Bereich (129) verwendet wird, wobei dieser Bereich (129) insbesondere am optisch aktiven Volumen (101) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die elektrisch leitende Struktur in Form zumindest eines flächig ausgebildeten Leiters (121, 122, 123) mit einem geometrisch innerhalb der elektrisch leitenden Struktur angeordneten Ausnehmung (128) verwendet wird, wobei diese Ausnehmung (128) insbesondere am optisch aktiven Volumen angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Ausnehmung (128) des flächig ausgebildeten Leiters als Apertur für das sichtbare Licht (210) verwendet wird.
Sensorvorrichtung (800) zur Magnetfeldmessung, mit einem Kristallkörper (100) mit Farbzentren (105, 110), einer Lichterzeugungseinrichtung (810, 910, 1010, 1110) zum Erzeugen von sichtbarem Licht (210) zur Anregung des Kristallkörpers (100), einer Magnetfelderzeugungseinrichtung (820) zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes (B₁) zur Anregung des Kristallkörpers (100), und einem Detektor (870) zum Erfassen von von dem Kristallkörper (100) ausgesendetem Fluoreszenzlicht (220), mit wenigstens einer Lenz-Linse (120) zur Verbesserung des magnetischen Wechselfeldes (B₁) zumindest in einem Bereich eines optisch aktiven Volumens des Kristallkörpers.
Sensorvorrichtung (800) nach Anspruch 7, wobei die wenigstens eine Lenz-Linse (120) derart eingerichtet und/oder angeordnet ist, dass das magnetische Wechselfeld (B₁) zumindest in dem Bereich des optisch aktiven Volumens (101) des Kristallkörpers fokussiert und/oder homogenisiert und/oder auf das optische Volumen gelenkt wird.
Sensorvorrichtung (800) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die wenigstens eine Lenz-Linse (120) wenigstens eine in einer Schicht angeordnete, elektrisch leitende Struktur umfasst, die um und/oder auf dem Kristallkörper (100) angeordnet ist.
Sensorvorrichtung (800) nach Anspruch 9, wobei die elektrisch leitende Struktur in Form zumindest einer geschlossenen Leiterschleife (125, 126, 127) mit einem geometrisch innerhalb der elektrisch leitenden Struktur angeordneten und elektrisch außerhalb der zumindest einen geschlossenen Leiterschleife liegenden Bereich (128) ausgebildet ist, wobei dieser Bereich (128) insbesondere am optisch aktiven Volumen (101) angeordnet ist.
Sensorvorrichtung (800) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die elektrisch leitende Struktur in Form zumindest eines flächig ausgebildeten Leiters (121, 122, 123) mit einem geometrisch innerhalb der elektrisch leitenden Struktur angeordneten Ausnehmung (129) ausgebildet ist, wobei diese Ausnehmung (129) insbesondere am optisch aktiven Volumen (101) angeordnet ist, und weitere insbesondere als Apertur für das sichtbare Licht (210) dient.
Sensorvorrichtung (800) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.