DE102022100420B3

DE102022100420B3 - Messanordnung zum präzisen Messen kleiner Abstände

Info

Publication number: DE102022100420B3
Application number: DE102022100420.1A
Authority: DE
Inventors: Mark Stefan Dix; Artur Widera; Jonas Maximilian Gutsche
Original assignee: Technische Univ Kaiserslautern Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Technische Universitaet Kaiserslautern Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Current assignee: Rheinland Pfaelzische Technische Universitaet De
Priority date: 2022-01-10
Filing date: 2022-01-10
Publication date: 2023-05-17
Anticipated expiration: 2042-01-11
Also published as: WO2023131547A1

Abstract

Eine Messanordnung (10) zum präzisen Messen kleiner Abstände zwischen einer Antenne (12) und einem Spin-System (16) umfasst eine Lichtquelle (20) zum Erzeugen von Licht mit einer vorbestimmten Emissionswellenlänge; einen Lichtsensor (26) zum Detektieren eines Lichtsignals, das von dem Spin-System abgestrahlt wird; einen Mikrowellengenerator (18) zum Erzeugen eines Mikrowellenpulses mit einer vorbestimmten Pulslänge, der mittels der Antenne (12) in Richtung Spin-System (16) abgestrahlt wird; einen Speicher (30) zum Abspeichern von Datenpunkten für das gemessene und detektierte Lichtsignal; eine Analyseeinheit (32) zum Auswerten der gespeicherten Datenpunkte und zum Ermitteln eines Messwertes und zum Bestimmen des Abstands zwischen Antenne (12) und Spin-System (16) aus dem Messwert mittels einer Kalibrierkurve. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum präzisen Messen kleiner Abstände zwischen einer Antenne (12) und einem Spin-System (16).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messanordnung zum präzisen Messen kleiner Abstände sowie ein Verfahren zum präzisen Messen kleiner Abstände mittels einer Messanordnung.
Messungen von kleinen Abständen sind in vielen Industriezweigen, insbesondere in der Elektrotechnik, wichtig. Beispielsweise gilt es in der Halbleiterherstellung, die Wafer hochgenau zu positionieren. Kleine Änderungen oder Abweichungen haben große Auswirkungen auf die Herstellung der Wafer oder Computerchips. Deshalb ist eine hochpräzise Messung notwendig. Derartige Messungen, insbesondere von kleinen Abständen, sind in der Regel sehr aufwendig, beeinflussbar und sensibel gegenüber äußeren Störeinflüssen. Schon kleine Störungen der Messumgebungen können zu großen Abweichungen führen. Die bisher bekannten Messverfahren basieren entweder auf mechanischen Messverfahren, auf kapazitiven Messungen oder auf Ultraschallmessungen. Teilweise werden auch Laserabstandsmessungen durchgeführt. Allerdings benötigen alle Messungen Platz und weisen zum Teil große Detektoren auf.
Bei kapazitiven Messungen wird der Abstand durch kapazitive Veränderungen gemessen, was für kleine Abstände zu sehr genauen Messungen führt. Problematisch sind allerdings Verunreinigungen auf Oberflächen, die das Messsignal verändern, genauso wie ein Verkippen eines der Messelemente. Zudem kann der Abstand nur zwischen zwei Elementen erfasst werden, von denen eines die Messsonde sein muss.
Bei magneto-induktiven Messungen bewirkt ein Magnet am Messobjekt im Inneren eines Sensors eine Veränderung der Permeabilität, die durch eine Sensorspule erfasst wird. Eine Veränderung der Permeabilität ist linear proportional zur Bewegungsrichtung des Magneten. Je nach Stärke des Magnetfeldes können verschiedene Abstände gemessen werden. Derartige Messungen benötigen aber makroskopisch große Flächen bzw. Magnete und haben eine begrenzte (laterale) Auflösung.
Weitere optische Messtechniken benötigen einen direkten Zugang zu dem zu messenden Abstand, beispielsweise bei Laufzeitmessungen mittels Laser. Bei Lasermessungen sind auch Phasenverschiebungsmessungen möglich. Beide Messarten sind aufgrund der kürzeren Laufzeiten bei kleinen und sehr kleinen Abständen jedoch ungenau oder limitiert. Die Messungen beruhen auf einem direkten Rückstrahlprinzip, so dass ein Auslesen des Messsignals nicht in einem Winkel möglich ist und eine ausreichend reflektive Oberfläche zur Verfügung stehen muss. Zudem sind die Messgeräte oft mehrere Zentimeter groß und deshalb nicht für Messungen mit begrenzten Raumverhältnissen einsetzbar.
Ausgehend vom Stand der Technik besteht nach wie vor der Bedarf an einer einfachen und präzisen Messung von kleinen Abständen. Insbesondere gibt es einen Bedarf an flexibel einsetzbaren Messanordnungen.
Gelöst wird die vorliegende Aufgabe mit einer Messanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und 13.
In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Messanordnung zum präzisen Messen kleiner Abstände. Die Abstände werden zwischen einer Antenne und einem Quantenemitter gemessen. Die Messanordnung umfasst eine Lichtquelle zum Erzeugen von Licht mit einer vorbestimmten Emissionswellenlänge, einen optionalen Lichtleiter zum Leiten des Lichts an den Quantenemitter und einen Lichtsensor zum Detektieren eines Lichtsignals, das von dem Quantenemitter auf optische Anregung folgend abgestrahlt wird.
Die Messanordnung umfasst weiter einen Mikrowellengenerator zum Erzeugen eines Mikrowellenpulses mit einer vorbestimmten Pulslänge, die mittels der Antenne in Richtung Quantenemitter abgestrahlt wird. Weiterhin umfasst die Messanordnung einen Speicher zum Abspeichern von Datenpunkten für das gemessene und detektierte Lichtsignal des Quantenemitters. Eine Analyseeinheit der Messanordnung ist dazu eingerichtet und ausgebildet, die gespeicherten Datenpunkte auszuwerten und einen Messwert zu bestimmen. Sie ist auch dazu eingerichtet, basierend auf dem Messwert und mittels einer Kalibrierkurve oder einer Kalibriertabelle aus den ermittelten Datenpunkten den Abstand zwischen Antenne und Quantenemitter zu bestimmen. Die Analyseeinheit verarbeitet Rabi-Frequenzen, die für die Ermittlung des Abstands zwischen Spin-System und Antenne verwendet werden.
Der im Mikrowellengenerator erzeugte Puls wird durch die Fläche unter der Pulskurve definiert, die durch Amplitude und Pulsdauer beschrieben wird (z.B. bei Rechteckpuls). Die Amplitude ist dabei konstant. Der Puls wird folglich durch seine Pulslänge definiert, die vorbestimmt ist und vorgegeben wird. Die Pulslänge kann für unterschiedliche Messungen variiert werden.
Das erfindungsgemäße Messprinzip basiert darauf, dass ein Messsignal entsteht durch die Frequenz von Helligkeitsunterschieden einer „Punktquelle“ als Funktion des Abstands zu einer Antenne. Die Punktquelle ist das Zentrum des Quantenemitters, insbesondere das Zentrum von einer Verunreinigung und einer Fehlstelle. Dies kann beispielsweise ein Diamant mit Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum sein. Die Frequenz der Helligkeitsschwankungen entspricht Schwankungen des Fluoreszenzlichts, das die Information über den Abstand angibt. Es wird im Raum in alle Richtungen abgestrahlt. Das Signal kann daher aus jeder beliebigen Richtung detektiert werden. Verkippungen sind daher nicht problematisch, da stets der direkte Abstand zwischen der B-Feld emittierenden Antenne (Mikrowellenantenne) und der „Punktquelle“ (Zentrum des Quantenemitters) gemessen wird. Ein weiterer Vorteil besteht in der hohen Ortsauflösung, da diese fluoreszenten Partikel (Zentren im Quantenemitter) in Nanodiamanten mit einem Durchmesser kleiner als 10 nm vorkommen Detektor, anregende Lichtquelle, Antenne und Quantenemitter können zudem räumlich voneinander getrennt werden.
Das erfindungsgemäße Messprinzip, das durch die Messanordnung widergespiegelt wird, beruht also darauf, die Messung des Abstands durch Bestimmung von Rabi-Frequenzen, wie sie von (optisch) angeregten Quantenemittern abgestrahlt werden, zu bestimmen. Hierzu ist zum einen eine Anregung des Quantenemitters mit Licht und zum anderen die Anregung mit einem Mikrowellenpuls notwendig. Die prinzipielle Idee hinter der Messanordnung beruht auf der Tatsache, dass optisch angeregte Quantenemitter Fluoreszenz abstrahlen, die von einer Messanordnung gemessen werden kann. Durch eine zusätzliche Anregung mit einer Mikrowellenstrahlung im Nahfeld werden Rabi-Oszillationen hervorgerufen und die von dem Quantenemitter emittierte Fluoreszenzstrahlung geändert. Durch eine Änderung der magnetischen Mikrowellenfeldstärke am Ort des Quantenemitters wird eine Änderung der Rabi-Frequenzen hervorgerufen. Die entstehenden Rabi-Frequenzen sind proportional zur magnetischen Feldstärke. Bei einer konstanten Anregungsleistung der Mikrowellenantenne und einer konstanten Mikrowellenfrequenz ist eine relative Abstandsmessung möglich. Anhand der gemessenen Rabi-Frequenzen und eines bekannten Verlaufs aus Rabi-Frequenzen als Funktion eines Abstands zwischen Antenne und Quantenemitter kann auf den Abstand geschlossen und dieser präzise ermittelt werden.
Es muss ein quantenmechanisches Zweiniveausystem gegeben sein, im Folgenden Spin-System genannt. Dieses Spin-System muss folgende Eigenschaften aufweisen, damit es für eine Abstandsmessung geeignet ist:

1. Es muss eine optische Spin-Polarisation vorhanden sein.
2. Eine kohärente Spin-Manipulation durch Mikrowellenfelder muss möglich sein.
3. Das Spin-System muss eine Spin-abhängige Fluoreszenz aufweisen, also in Abhängigkeit des Spins ein Lichtsignal emittieren.

Ein solches Quantensystem, welches diese Eigenschaften aufweist, ist beispielsweise ein Diamant mit Stickstoff-Fehlstellen. Hierbei weist der Diamant negativ geladene Stickstoff-Fehlstellenzentren auf. Ein derartiger Diamant ist als Spin-System bevorzugt geeignet. Ein derartiges System ist beispielsweise beschrieben in Ref1. Andere geeignete Spin-Systeme können Diamanten mit negativ geladenen Silizium-Fehlstellenzentren (SiV-) (Ref2) oder mit neutralen Silizium-Fehlstellenzentren (SiV0) sein (Ref3). Ebenfalls geeignet sind Spin-Systeme mit Bor-Fehlstellenzentren in hexagonalem Bornitrat (hBN) (Ref4). Daneben kann auch Siliziumcarbid (SiC) mit Doppelfehlstellen (Divacancies) (Ref5) verwendet werden.

Ref1: R. Schirhagl, K. Chang, M. Loretz, Ch. L. Degen; „Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond: Nanoscale Sensors for Physics and Biology"; Annual Review Physical Chemistry 2014; Volume 65:83-105; DOI: 10.1146/annurev-physchem-040513-103659
Ref2: D. D. Sukachev, A. Sipahigil, C. T. Nguyen, M. K. Bhaskar, R. E. Evans, F. Jelezko, M. D. Lukin ; „Silicon-Vacancy Spin Qubit in Diamond: A Quantum Memory Exceeding 10 ms with Single-Shot State Readout"; Physical Review Letters (2017), Volume 119, Issue 22; published 29. Nov. 2017; DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.223602
Ref3: Z. Zhang, P. Stevenson, G. Thiering, B. C. Rose, D. Huang, A. M. Edmonds, M. L. Markham, St. A. Lyon, A. Gali, N. P. de Leon; „Optically Detected Magnetic Resonance in Neutral Silicon Vacancy Centers in Diamond via Bound Exciton States"; Physical Review Letters 2020, Volume 125, Issue 23; published 30. Nov. 2020; DOI: 10.1103/PhysRevLett. 125.237402
Ref4: A. Gottscholl, M. Diez, V. Soltamov, Ch. Kasper, A. Sperlich, M. Kianinia, C. Bradac, I. Aharonovich, V. Dyakonov; „Room temperature coherent control of spin defects in hexagonal boron nitride"; Science Advances, published 2. Apr. 2021, Vol 7, Issue 14; DOI: 10.1126/sciadv.abf3630
Ref5: D. J. Christle, A. L. Falk, P. Andrich, P. V. Klimov, J. UI Hassan, N. T. Son, E. Janzen, Ta. Ohshima, D. D. Awschalom ; „Isolated electron spins in silicon carbide with millisecond coherence times"; Nature Materials volume 14, pages 160-163 (2015); DOI: 10.1038/nmat4144

Diesen kohärenten Spin-Systemen ist gemein, dass eine Mikrowellenanregung von Spin-Zuständen zu sogenannten Rabi-Oszillationen führt, deren Frequenz Ω von der magnetischen Feldstärke B_MW entlang der Quantisierungsachse ê des Spin-Systems abhängt. Die Feldstärke B_MW am Ort des Spin-Systems hängt dabei stark vom Abstand d zu der abstrahlenden Antenne ab. Dadurch wird eine Änderung der Rabi-Frequenzen in Abhängigkeit des Abstands hervorgerufen.
Die kohärenten Spin-Systeme, die abhängig von ihrem Spin-Zustand verschieden auf optische Anregung folgend Licht emittieren , können mittels eines optischen Zugangs der Lichtquelle, beispielsweise durch den optischen Zugang des optionalen Lichtleiters, durch Messung des Fluoreszenzlichtes detektiert werden. Das Fluoreszenzlicht ist das von dem Spin-System aufgrund der optischen Anregung abgestrahlte Lichtsignal. Durch vorhergehende Kalibrierung kann der Abstand zwischen der Antenne und dem Spin-System optisch präzise detektiert werden.
Die Lichtquelle erzeugt Licht mit einer vorbestimmten Emissionswellenlänge, das mittels des optionalen Lichtleiters an das Spin-Systemgeleitet wird. In dem Spin-System erfolgt eine Anregung, indem Elektronen vom Grundzustand in den optisch angeregten Zustand, also einen höheren Energiezustand, gehoben werden und unter Freigabe von Energie in Form von Lichtstrahlung wieder in den Grundzustand zurückfallen können. Dieses von dem Spin-System abgestrahlte Lichtsignal wird in einem Lichtsensor detektiert, wobei bevorzugt der Lichtwellenleiter verwendet werden kann. Dabei muss eine Aus- und Einkopplung des eingestrahlten Lichts bzw. des vom Spin-Systems abgestrahlten Lichts erfolgen.
Im Rahmen der Erfindung wurde das Wissen verwendet, dass neben der optischen Anregung der Energieniveaus auch eine magnetische Anregung der Spinzustände erfolgen kann, die dann (bevorzugt nach Spinpolarisation durch optische Erstanregung) zu einer veränderten Abstrahlung von Licht durch das Spin-System führt. Für den erzeugten Mikrowellenpuls mit einer vorbestimmten Pulslänge (Pulsdauer) wird das gemessene Lichtsignal, das von dem Spin-System abgestrahlt wird, als Datenpunkt abgespeichert. Mittels einer Änderung der Pulslänge der erzeugten Mikrowellenpulse im Mikrowellengenerator kann eine Vielzahl von Datenpunkten für gemessene Lichtsignale erzeugt werden, die in dem Speicher abgespeichert werden. Die Auswertung aller abgespeicherten Datenpunkte mittels der Analyseeinheit ermöglicht die Ermittlung eines Messwertes, der sogenannten Rabi-Frequenz, der charakteristisch für den Abstand zwischen Spin-System und der Antenne ist, an der der Mikrowellenpuls ausgesendet wird. Basierend auf einer Kalibrierung und der Kenntnis einer Kalibrierkurve für Abstände zwischen Spin-System und Antenne und erzeugten Messwerten kann aufgrund des erzielten Messwertes auf den aktuell vorhandenen Abstand zwischen Antenne und Spin-System rückgeschlossen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Messanordnung eine Magnetfeldquelle zum Erzeugen eines statischen Magnetfelds, das auf das Spin-System wirkt. Das statische Magnetfeld hat eine Stärke von vorzugsweise wenigen Milli-Tesla (mT). In dem von der Magnetfeldquelle hervorgerufenen statischen Magnetfeld führt der Zeeman-Effekt zu einer Aufspaltung der Spin-Zustände des Grundzustands in dem Spin-System. Hierdurch lassen sich die einzelnen Quantisierungsachsen zwischen der Verunreinigung und der Fehlstelle in dem Quantenemitter detektieren. Bei einer Vielzahl von Verunreinigungs-Fehlstellen-Zentren (Quantenemittern) in einem einkristallinen Diamanten liegen diese Zentren auf vier möglichen Achsen. Dadurch ergeben sich mittels des äußeren statischen Magnetfelds bis zu acht Resonanzen aus den vier Raumachsen und den möglichen Spin-Übergängen in dem Spin-System. Auf diese Weise lassen sich einfach die Resonanzfrequenzen ermitteln, sodass sie für das Mikrowellenfeld, das von dem Mikrowellengenerator mittels Mikrowellenpuls erzeugt wird, verwendet werden können. Die Mikrowellenanregung erfolgt bei einer ausgewählten Frequenz, die auf eine der Resonanzfrequenzen des Spin-Systems fällt. Hierdurch ist eine leichtere Analyse möglich.
In einer alternativen, aber ebenso bevorzugten Ausführungsform kann auf das externe statische Magnetfeld verzichtet werden. In dieser Ausführungsform ist die Analyseeinheit dazu ausgebildet, eine Fourier-Transformation auszuführen, um den Messwert aus den Datenpunkten zu ermitteln. Mittels der Fourier-Transformation ist es möglich, die vorhandenen Rabi-Frequenzen eines Ensembles von Spin-Systemen zu separieren, deren Unterschiede von der unterschiedlichen Orientierung der Kristallachsen zwischen der Verunreinigung und der Fehlstelle in dem Spin-System hervorgerufen werden. Zur Bestimmung des Abstands kann der Messwert verwendet werden, der sich aus den Datenpunkten nach Fourier-Transformation herauslesen lässt. Selbstverständlich ist es möglich, die Analyseeinheit auch dann dazu auszubilden, dass sie eine Fourier-Transformation durchführen kann, wenn ein externes Magnetfeld durch eine Magnetfeldquelle erzeugt wird. Neben einer Fourier-Transformation kann auch eine geeignete Fit-Kurve verwendet werden, um auf die einzelnen Verunreinigung-Fehlstellen-Achsen und deren Messwerte zu schließen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Messanordnung sieht vor, dass die Analyseeinheit dazu ausgebildet ist, um eine Kalibrierkurve zwischen Rabi-Frequenz und Abstand auszuwerten.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Antenne der Messanordnung eine Mikrowellenantenne. Sie ist dazu eingerichtet und ausgebildet, elektromagnetische Mikrowellenpulse in ihrem Nahfeld zu erzeugen. Vorzugsweise ist die Antenne so nah an dem Spin-System positioniert, dass sich der Spin-System im Nahfeld des mit der Mikrowellenantenne erzeugten Magnetfelds befindet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Mikrowellengenerator zum Erzeugen von Mikrowellenpulsen derart ausgebildet, dass ein Speisesignal mit einer vorgegebenen Frequenz für die Antenne erzeugt wird. Das Speisesignal wird an die Antenne übertragen, vorzugsweise mittels Verbindungsleitungen, die als Kabel ausgeführt sein können. Die Frequenz des Speisesignals, das von der Antenne abgestrahlt wird, ist bevorzugt größer 1 GHz. Besonders bevorzugt hat sich bei der Anwendung mit Spin-Systemen ergeben, dass die Frequenz zwischen 2,4 GHz und 3,5 GHz liegt. Insbesondere bei der Verwendung von Diamantgittern mit Stickstoff-Fehlstellen ist dieser Frequenzbereich geeignet. Sehr bevorzugt liegt die Frequenz zwischen 2,65 GHz und 3,1 GHz. Es hat sich weiter als positiv herausgestellt, dass die Frequenz von der Stärke eines statischen Magnetfelds abhängen kann, das auf das Spin-System wirkt.
Vorzugsweise weist der von dem Mikrowellengenerator erzeugte Mikrowellenpuls eine Pulslänge zwischen 1 ns und 10 µs auf. Für den praktischen Betrieb hat sich als besonders bevorzugt eine Pulsdauer zwischen 10 ns und 5 µs erwiesen. Vorzugsweise werden von dem Mikrowellengenerator Mikrowellenpulse mit unterschiedlichen Pulsdauern erzeugt und verwendet, wobei weiter bevorzugt der gesamte Bereich in kleinen Schritten, beispielsweise 10 ns-Schritten, nacheinander erzeugt wird. Denkbar ist auch, dass die Pulsdauer in einer anderen Schrittzahl bzw. mit anderen Änderungen durchlaufen wird. Die Wahl der unterschiedlichen Pulsdauern hängt insbesondere von der Genauigkeit der Messung und der zur Verfügung stehenden Gesamtmesszeit ab. Dies mag für einzelne Anwendungen deutlich variieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Lichtquelle der Messanordnung eine Laserlichtquelle. Die Lichtquelle erzeugt bevorzugt Laserlicht mit einer Wellenlänge kleiner 637 nm. Bei mehreren Untersuchungen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Wellenlänge des Laserlichts zwischen 480 nm und 580 nm liegt. Besonders vorteilhaft ist eine Wellenlänge zwischen 500 nm und 530 nm. Vorzugsweise wird die Wellenlänge des Laserlichts so gewählt, dass sie außerhalb, bevorzugt unterhalb, der Wellenlänge des von dem Spin-System abgestrahlten Lichts liegt, das in Reaktion auf die Anregung mit Laserlicht erfolgt. Die Wellenlänge des Laserlichts ist deshalb bevorzugt außerhalb des fluoreszierenden Bereichs.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Licht der Lichtquelle, insbesondere das Laserlicht einer Laserlichtquelle, in den Lichtwellenleiter eingekoppelt und zum Spin-System geleitet. Der Lichtwellenleiter kann beispielsweise eine Glasfaserleitung sein. Vorzugsweise wird der Lichtwellenleiter auch zur Weiterleitung des von dem Spin-System emittierten Fluoreszenzlichts verwendet. Folglich kann das von dem Spin-System (in Folge einer optischen Anregung) abgestrahlte Licht mittels Lichtwellenleiter zu dem Lichtsensor geleitet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Lichtwellenleiter einen optischen Filter, um Fluorenzenzlicht mit einer Wellenlänge größer als die Wellenlänge des von der Lichtquelle erzeugten Lichts zu transmittieren und bevorzugt Streulicht, bevorzugt außerhalb des Fluorenzenzbereichs des Spin-Systems , herauszufiltern.
Der optische Filter kann in den Lichtwellenleiter integriert sein. Es ist auch möglich, dass der Lichtwellenleiter durch den optischen Filter unterbrochen wird. Das bedeutet, dass ein erster Teilbereich des Lichtwellenleiters zu einem optischen Filter führt, das Licht dann den optischen Filter passiert und anschließend in einen zweiten Teil des Lichtwellenleiters weitergeführt wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass das Spin-System ein optisch aktives Spin-System mit Spin-Freiheitsgrad ist. Bevorzugt ist der Quantenemitter ein Diamant-Fehlstellen-Zentrum. Besonders bevorzugt ist ein Spin-System aus Diamanten mit Stickstoff-Fehlstellen. Beispielsweise kann das Spin-System ein Diamantenkristall mit Stickstoff-Fehlstellen sein, das in einer wässrigen Lösung gelöst ist. Bevorzugt wird die wässrige Lösung auf einen Träger aufgebracht, der weiter bevorzugt nicht-metallisch ist. Im Rahmen der Erfindung hat sich gezeigt, dass ein Träger aus Glas sehr bevorzugt ist, auf den die in Wasser gelösten Diamanten mit Stickstoff-Fehlstellen aufgebracht werden.
Eine weiter bevorzugte Ausführungsform der Messanordnung weist einen Lichtsensor auf, der ein optischer Detektor ist, um Licht oder ein Lichtsignal zu empfangen. Der Lichtsensor ist bevorzugt eine Photodiode. Er kann ein Photonenzählwerk sein, beispielsweise ein Einzelphotonenzählwerk, oder eine Avalanchediode. Andere geeignete Lichtsensoren sind denkbar, um die von dem Spin-System abgestrahlte Fluoreszenz zu messen.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch ein Verfahren zum präzisen Messen kleiner Abstände gelöst. Hierbei kann zum einen ein kontinuierliches Messen der Fluoreszenz während des Aussendens eines Mikrowellenpulses erfolgen oder zum anderen ein vergleichendes Messen der Fluoreszenz mit und ohne Mikrowellenpulsen. Die Verfahrensausbildungen stellen alternative Messverfahren dar.
In den Verfahren wird die Messung zwischen einer Antenne, bevorzugt einer Hochfrequenzantenne oder Mikrowellenantenne, und einem Spin-System durchgeführt, wobei Antenne und Spin-System Teil einer Messanordnung sind. Dem Verfahren liegt ebenfalls die Erkenntnis zugrunde, dass in einem Spin-System die Elektronen angeregt werden können, zum einen durch Licht, zum anderen durch einen Mikrowellenpuls und ein sich daraus ergebendes Magnetfeld und dass das Magnetfeld proportional zum Abstand zwischen Magnetfeld erzeugender Antenne und Spin-System ist. Bei konstant gehaltenen Bedingungen für das Magnetfeld ist die vom Emitter abgestrahlte Fluoreszenz (Lichtstrahlung) abhängig vom Abstand zwischen Antenne und Spin-System.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass Licht mit einer bestimmten Emissionswellenlänge von einer Lichtquelle zu einem Spin-System ausgesendet wird. Die Wellenlänge des Lichtes liegt bevorzugt zwischen 480 nm und 637 nm. In einem weiteren Schritt wird, während das Spin-System mit Licht beaufschlagt wird, ein Mikrowellenpuls mit einer vorbestimmten Pulslänge von einer Antenne, insbesondere einer Hochfrequenzantenne, zu dem Spin-System ausgesendet. Das von dem Spin-System in Reaktion auf die optische Anregung ausgestrahlte Fluoreszenzlicht wird noch während des Aussendens des Mikrowellenpulses gemessen. Währenddessen wird wenigstens ein Datenpunkt für das gemessene Lichtsignal (Fluoreszenzsignal) gespeichert. Durch optionale weitere Messungen wird so ein Datensatz mehrerer Lichtpunkte aufgenommen und abgespeichert, wobei der Datensatz die Lichtintensität in Abhängigkeit der Zeit umfasst. Beispielsweise können hierzu in Abhängigkeit von der gewünschten Genauigkeit mehrere Datenpunkte erfasst werden. Ein weiterer Schritt des Verfahrens sieht vor, dass die Datenpunkte mittels einer Analyseeinheit ausgewertet werden. Hierbei wird aus den Datenpunkten ein Messwert ermittelt, der charakteristisch für den Abstand zwischen der Antenne und dem Spin-System ist. Der Messwert repräsentiert dabei eine Rabi-Frequenz, aus der sich eine Bestimmung des Abstands herleiten lässt.
Ein weiterer Schritt des Verfahrens sieht vor, dass der Abstand zwischen Antenne und Spin-System aus dem Messwert mittels einer Kalibrierkurve oder einer Kalibriertabelle bestimmt werden kann. Dazu werden bevorzugt während einer Kalibrierung mit mehreren vorgegebenen Abständen, die bekannt sind, entsprechende Messwerte erzeugt, vorzugsweise wenigstens drei. Aus diesen Werten kann, beispielsweise mittels einer Fitkurve oder Fitfunktion, eine Kalibrierkurve extrapoliert werden.
Dieses Verfahren spiegelt eine kontinuierliche Messung der Datenpunkte zur Ermittlung des Abstands wider.
Das Verfahren sieht einen weiteren Schritt vor, der ein Ermitteln und Auswerten von Rabi-Frequenzen zur Bestimmung des Abstands zwischen Antenne und Spin-System umfasst. Hier liegt die Erkenntnis zugrunde, dass aus den gemessenen Rabi-Frequenzen und den Datenpunkten auf den Abstand zwischen Antenne und Spin-System eindeutig rückgeschlossen werden kann.
Das alternative erfindungsgemäße Verfahren umfasst zunächst das Aussenden von Licht mit einer vorbestimmten Emissionswellenlänge, wobei das Licht auf das Spin-System trifft. Hierdurch erfolgt eine optische Anregung des Spin-Systems . Die Lichtquelle wird in einem nächsten Schritt wieder ausgeschaltet. Ein weiterer Schritt betrifft das Aussenden eines Mikrowellenpulses mit einer vorbestimmten Pulslänge von der Antenne zum Spin-System und das erneute Aussenden von Licht mittels der Lichtquelle zur Anregung des Spin-Systems . Das Messen eines von dem Spin-System ausgesendeten Lichtsignals (Fluoreszenz) mittels eines Lichtsensors ist ein weiterer Schritt. Für das gemessene Lichtsignal wird ein Datenpunkt abgespeichert, der für die Ermittlung eines Messsignals verwendet wird. In einem weiteren Schritt wird die Pulslänge des Mikrowellensignals geändert. Optional kann davor die Lichtquelle ausgeschaltet werden. Anschließend werden die vorherigen Schritte für eine gewünschte Anzahl von zu ermittelnden Messsignalen bzw. Datenpunkten wiederholt. Es wird also ein Lichtsignal in Abhängigkeit der Pulsdauer des Mikrowellensignals ermittelt.
Das Verfahren umfasst weiter einen Schritt des Auswertens der gemessenen Datenpunkte mittels einer Analyseeinheit und das Ermitteln eines Messwertes aus den gemessenen Datenpunkten. Die Datenpunkte und der daraus ermittelte Messwert sind charakteristisch für den Abstand zwischen Antenne und Spin-System, da die anderen Randbedingungen konstant gehalten werden. In einem weiteren Schritt des Verfahrens erfolgt das Bestimmen des Abstands zwischen Antenne und Spin-System aus dem ermittelten Messwert mittels einer Kalibrierkurve.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Verfahren wird ein statisches Magnetfeld erzeugt, das auf das Spin-System wirkt. Hierdurch werden die auftretenden Resonanz-Frequenzen aufgespalten in die einzelnen Raumachsen des Kristallgitters. Die Analyse und die Ermittlung des Abstands werden so vereinfacht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Messanordnung;
2 eine bevorzugte Ausführungsform des optischen Teils der Messanordnung;
3 eine Prinzipskizze der Kristallstruktur von Diamant mit eingebettetem Spin-System in vier möglichen Orientierungen;
4 das Prinzip eines Energieschemas eines Fehlstellenzentrums;
5 eine Prinzipskizze der Veränderung der Spinpolarisation in dem Spin-System durch optische Anregung;
6 eine Prinzipskizze der Spinmanipulation bei magnetischer Resonanz durch Mikrowellenstrahlung;
7 eine grafische Darstellung der relativen Fluoreszenz über der Mikrowellenfrequenz in einem externen statischen Magnetfeld;
8 ein Zeitschema für eine Messung;
9 eine grafische Darstellung der relativen Fluoreszenz in Abhängigkeit der Pulsdauer des angelegten Mikrowellensignals;
10 eine grafische Darstellung der Rabi-Frequenz in Abhängigkeit des Abstands zwischen Spin-System und Sendeantenne.

1 zeigt die erfindungsgemäße Messanordnung 10 zum Messen eines Abstands zwischen einer Antenne 12, die in Form einer Mikrowellenantenne 14 ausgebildet ist, und einem Spin-System 16. Das Spin-System muss eine optische Spinpolarisation, eine kohärente Spinmanipulation durch Mikrowellenfelder und eine spinabhängige Fluoreszenz aufweisen. Ein derartiges Spin-System ist vorzugsweise ein Diamant mit negativ geladenem Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum. Das Spin-System kann in Flüssigkeit gelöst auf einen Träger aufgebracht werden, der beispielsweise aus Glas sein kann.
Die Mikrowellenantenne 14 wird von einem Mikrowellengenerator 18 gespeist, der einen Mikrowellenpuls mit einer vorbestimmten Pulslänge erzeugt.
Eine Lichtquelle 20 erzeugt Licht mit einer vorbestimmten Emissionswellenlänge. Bevorzugt ist die Lichtquelle eine Laserlichtquelle 22, die Laserlicht abstrahlt und das Spin-System optisch anregt. Das Licht der Lichtquelle 20 kann mittels eines optionalen Lichtwellenleiters oder Lichtleiters 24 zu dem Spin-System 16 geleitet werden, wie in 2 gezeigt. Ein Lichtsensor 26, der als Photodiode 28 oder Avalanchediode ausgebildet sein kann, empfängt von dem Spin-System abgestrahlte Lichtsignale, die durch Änderung der Energiezustände in dem Spin-System hervorgerufen werden. Die empfangenen Lichtsignale werden von dem Lichtsensor 26 beispielsweise als elektrische Signale an einen Speicher 30 übermittelt, der in Form einer Speichereinheit ausgebildet und in einer Analyseeinheit 32 integriert sein kann. In dem Speicher werden die gemessenen Lichtsignale in Form von Datenpunkten abgespeichert, wobei bevorzugt die Pulslänge des anregenden Mikrowellenpulses ebenfalls mitgespeichert wird. Selbstverständlich kann der Speicher auch eine externe Speichereinheit sein, die mit der Analyseeinheit 32 verbunden sein kann. Sie muss nicht in der Analyseeinheit integriert sein.
Die Analyseeinheit 32 wertet die gespeicherten Datenpunkte aus und ermittelt hieraus einen Messwert. Die Analyseeinheit 32 ist weiter dazu ausgebildet, den Abstand zwischen der Antenne 12 und dem Spin-System 16 anhand des Messwertes zu ermitteln, wobei eine in dem Speicher 30 abgelegte Kalibrierkurve verwendet wird.
Eine Magnetfeldquelle 34 erzeugt ein statisches Magnetfeld 36, das auf das Spin-System 16 wirkt und dort zu einer Aufspaltung der Spinzustände des Grundzustands führt.
In der hier gezeigten Ausführung sind Antenne 12, Lichtquelle 20 und Lichtsensor 26 nahe bei einander angeordnet, wobei Antenne 12 und Lichtquelle 20 aus der gleichen Richtung auf das Spin-System 16 einstrahlen. Es ist auch möglich, dass Antenne 12, Lichtquelle 20 und/oder Lichtsensor 26 in unterschiedlichen Winkeln bzw. Raumrichtungen zu dem Spin-System angeordnet sind. Da das Spin-System als Punktquelle strahlt, spielt die Position von Lichtquelle und Lichtsensor keine Rolle. Sie sind unabhängig voneinander. Die Position der Antenne ist ebenfalls unabhängig von der Anordnung der Lichtquelle und des Lichtsensors
2 zeigt eine besondere Ausführungsform des optischen Teils der Messanordnung 10 und das Spin-System 16. In dieser Ausführungsform wird ein Lichtwellenleiter 24 verwendet, um Licht der Lichtquelle 20 zu dem Spin-System 16 umzuleiten. Der Lichtwellenleiter 24 wird gleichzeitig dazu verwendet, um von dem Spin-System 16 abgestrahlte Lichtsignale zu empfangen und an den Lichtsensor 26 zu leiten. Dieser ist mit der Analyseeinheit 32 verbunden, sodass die Lichtsignale ausgewertet werden können.
Eine optische Koppeleinheit 38 ermöglicht eine Einspeisung und eine Auskopplung des empfangenen Lichtes. Die optische Koppeleinheit 38 umfasst einen teildurchlässigen Spiegel 40 und einen optischen Filter 42. In der Lichtquelle 20 erzeugtes Licht wird mittels optionalem Lichtwellenleiter 24 zum teildurchlässigen Spiegel 40 geleitet und dort in Richtung Spin-System 16 umgelenkt, wobei das Licht in Pfeilrichtung 44 in dem Lichtwellenleiter 24 geleitet wird.
Von dem Spin-System durch Fluoreszenz hervorgerufene Lichtsignale gelangen ebenfalls in den Lichtwellenleiter 24 und werden in Pfeilrichtung 46 zu dem teildurchlässigen Spiegel 40 geleitet, den sie jedoch ohne Reflexion passieren und zu dem optischen Filter 42 gelangen. Der optische Filter lässt von dem Spin-System abgestrahltes Licht mit einer Wellenlänge größer einer Grenzwellenlänge passieren. Der Filter kann ein optischer Langpass sein. Die Grenzwellenlänge ist beispielsweise 637 nm. Der optische Filter 42 filtert Streulicht außerhalb des gewünschten Bereichs des Fluoreszenzlichts heraus. Er kann insbesondere Wellenlängen filtern, die unterhalb der Grenzwellenlänge liegen, wobei die Grenzwellenlänge bevorzugt oberhalb der Wellenlänge des von der als Laserlichtquelle 22 ausgebildeten Lichtquelle 20 abgestrahlten Laserlichts liegt.
Nach Passieren des optischen Filters gelangt das abgestrahlte Licht (Fluoreszenzlicht) zu dem Lichtsensor 26, der mit dem Lichtwellenleiter 24 gekoppelt ist.
3 zeigt vier mögliche Orientierungen von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in der Einheitszelle einer Diamantstruktur, die das Spin-System 16 bilden. Das Stickstoffatom ist mit N bezeichnet, während die Fehlstelle mit V beschrieben ist. Das negativ geladene Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (NV-Zentrum, Nitrogen-Vacancy) ist ein Punktdefekt in der Diamantstruktur, bei dem ein Stickstoffatom N ein Kohlenstoffatom der Diamantstruktur substituiert und zusätzlich eine Fehlstelle V an einem benachbarten Gitterplatz vorliegt. Daher wird dieses Zentrum als NV-Zentrum bezeichnet. Hier gezeigt sind die vier möglichen Orientierungen der NV-Zentren im Diamantgitter.
Dieser Effekt formt lokale Energiezustände in der Bandlücke des Diamanten, die in 4 in einem Energieniveauschema dargestellt sind.
Der Grundzustand ³A₂ ist ein Triplett-Zustand mit drei Spinzuständen m_s = 0, ±1. Ohne ein externes Magnetfeld sind die Energieniveaus der Zustände m_s = ±1 um 2,87 GHz zu höheren Energien verschoben. Eine zusätzliche Verspannung im Kristall separiert die Zustände noch einmal um wenige MHz. Der exakte Frequenzwert hängt jedoch von Herstellungsmethode des Spin-Systems, in dem hier gezeigten Beispiel von der Herstellungsmethode des Diamanten ab. Diese Verschiebungen können in der Praxis jedoch vernachlässigt werden. Die entstehenden Übergänge m_s = 0 → m_s = -1 und m_s = 0 → m_s = +1 liegen somit im Mikrowellenbereich.
Der Grundzustand kann zusätzlich mit Licht, bevorzugt mit Licht der Wellenlänge von 480 nm bis 637 nm optisch in den Triplett-Zustand ³E angeregt werden. Dabei entstehende überschüssige Energie wird in Form von Phononen an das Kristallgitter abgegeben. Der Spinzustand m_s bleibt jedoch erhalten.
Von diesem angeregten Zustand aus, in dem die Energiezustände der Spinzustände m_s = ±1 um 1,42 GHz gegenüber dem Spinzustand m_s = 0 verschoben sind, existieren mehrere Zerfallsmöglichkeiten, sogenannte Zerfallskanäle. Zum einen kann ein direkter optischer Zerfall zurück in den Grundzustand unter Aussenden eines Photons der Wellenlänge im Bereich von 637 nm bis 800 nm erfolgen.
Zum anderen erfolgt eine Interkombination (ISC, engl. Intersystem Crossing) vom Triplett-Zustand in den Singulett-Zustand ¹A₁ mit einem anschließenden weiteren Zerfall unter Aussendung eines Photons im Infrarotbereich, der jedoch für die vorliegende Erfindung nicht von Interesse ist. Ein weiterer Zerfall bzw. eine nochmalige Interkombination (ISC) in den Triplett-Zustand schließt sich daran an.
Dieser (zweite) Zerfallsprozess durch Interkombination ist für die Spinzustände m_s = ±1 sehr viel wahrscheinlicher als für den Spinzustand m_s = 0. Dies ist in der 4 dadurch angedeutet, dass die Pfeile der Interkombination 48 dicker dargestellt sind.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass ein sogenanntes „optisches Pumpen“ durch Einstrahlung von Licht ermöglicht wird. Das optische Pumpen ruft eine Spinpolarisation in dem Spinzustand m_s = 0 hervor, wie er in 5 schematisch gezeigt ist. Hierbei sind die drei Spinzustände sowohl im Grundzustand ³A₂ wie auch im angeregten Zustand (Triplett-Zustand) ³E gezeigt. Die einzelnen Schritte 1 bis 4 sind dabei die folgenden:

1. Es herrscht eine gleichmäßige Verteilung in den Spinzuständen des optischen Grundzustands. Die Verteilung auf die Spinzustände 0 wie auch Zustände m_s = ± 1 sind in etwa gleichgroß.
2. Durch eine optische Anregung bewegen sich die Elektronen vom Grundzustand in den Triplett-Zustand, wobei der Spinzustand erhalten bleibt. Elektronen mit einem Spin m_s = 0 im Grundzustand weisen auch den Spin m_s = 0 im angeregten Triplett-Zustand auf.
3. Es folgt ein optischer Zerfall, wobei die Elektronen im Spinzustand m_s = 0 vom angeregten Zustand wieder in den Grundzustand zurückfallen. Die Elektronen im Spinzustand m_s = ± 1 fallen teilweise direkt in den Spinzustand m_s = ±1 in den Grundzustand, wobei die meisten über einen Singulett-Zustand ¹A₁ und eine anschließende Interkombination unter Aussendung von Strahlung im Wellenlängenbereich von 1042 nm in den Grundzustand zurückfallen. Hierbei fällt ein großer Teil in den Spinzustand m_s = 0 zurück.
4. Die optische Anregung führt also schließlich zum Zustand 4 (rechtes Bild), in dem die Spinpolarisation m_s = 0 als Spinzustand vorliegt. Lediglich wenige Elektronen haben einen Spinzustand m_s = ±1 im Grundzustand. Diese Spinpolarisation erfolgt durch eine Anregung mit Licht, vorzugsweise Laserlicht. Typische Zeitdauern liegen hier bei einem Bereich von 5 µs bis 100 µs.

Neben einer Anregung mit Licht ist auch eine Mikrowellenanregung möglich. Durch Einstrahlen eines Mikrowellenpulses mit einer typischen Pulsdauer im Bereich von 10 ns bis 5 µs und einer Mikrowellenfrequenz entsprechend einer Resonanzfrequenz wird ein Übergang zwischen beteiligten Energieniveaus hervorgerufen. Dies sind Übergänge vom Spinzustand m_s = 0 in den Spinzustand m_s = ±1 des Grundzustands. Diese Übergänge können optisch detektiert werden. Die Detektion der Mikrowellenresonanzen wird als optisch detektierte magnetische Resonanz (ODMR) bezeichnet.
Ausgehend von einem spinpolarisierten Zustand gemäß 5, Zustand 4, der nach ca. 5 µs Beleuchtung erreicht wird, wird nun ein zu den Spinübergängen des Grundzustands resonantes Mikrowellenfeld angelegt. Das Mikrowellenfeld wird durch einen Mikrowellenpuls wie oben beschrieben hervorgerufen. Hierdurch wird die Spinpolarisation aufgehoben und die Fluoreszenzintensität verringert, was in 6, rechte Abbildung (2) dargestellt ist. Die Stärke des Fluoreszenzsignals wird durch die Farbsättigung veranschaulicht, gleiches gilt für die Besetzungswahrscheinlichkeit des jeweiligen Zustands.
Im Rahmen der Erfindung wird sich dieser Effekt zunutze gemacht. Durch den Vergleich der Fluoreszenzintensität unter Einstrahlung eines Mikrowellenfeldes mit der Fluoreszenzintensität ohne Einstrahlung eines Mikrowellenfeldes lassen sich die Resonanzen optisch detektieren. Ein Spektrum der Übergänge des Grundzustands weist für den Stickstoff-Fehlstellen-dotierten Diamanten eine Resonanz von 2,87 GHz auf.
Die durchgeführten Messungen können verbessert werden, wenn ein äußeres statisches Magnetfeld angeregt wird. In einem statischen externen Magnetfeld wird eine Aufspaltung der Spinzustände des Grundzustandes hervorgerufen. Dies erfolgt gemäß dem sogenannten Zeeman-Effekts gemäß: $Δ E = h g_{s} μ_{B} m_{S} {\vec{B}}_{e x t} \cdot {\hat{e}}_{N V} .$
Dabei bezeichnet ΔE die Verschiebung des Energieniveaus durch den Zeeman-Effekt, h das Plancksche Wirkungsquantum, g_s ≈ 2 den Lande-Faktor, µ_B = 9,274 · 10^-24 J/T das Bohrsche Magneton, ${\vec{B}}_{e x t}$
das externe magnetische Magnetfeld und ̂ê_NV den Einheitsvektor der Stickstoff-Fehlstellen-Quantisierungsachse. Die Verschiebung des Energieniveaus ist also proportional zum Betrag des externen Magnetfelds mal den Kosinus des eingeschlossenen Winkels, |B|·cos (φ).
In anderen Worten ist die Aufspaltung direkt proportional zum Skalarprodukt ${\vec{B}}_{e x t} \cdot {\hat{e}}_{N V},$
also zur Magnetfeldkomponente entlang der NV-Achse, wie in 3 dargestellt. Die Proportionalitätskonstante y = h g_s µ_B beträgt 2,8 MHz/G.
Setzt man einen einkristallinen Diamanten mit einer Vielzahl von NV-Zentren voraus, die zeitgleich detektiert werden, liegen die NV-Zentren in allen vier möglichen Achsen, wie in 3 gezeigt. Dadurch ergeben sich in einem äußeren Magnetfeld bis zu acht Resonanzen aus den vier Raumachsen und den zwei Spinübergängen m_s = 0 nach m_s = +1 bzw. m_s = 0 nach m_s = -1. Ein beispielhaftes Spektrum mit acht Raumachsen ist in 7 gezeigt.
Durch das Einstrahlen eines resonanten Mikrowellenfeldes werden kohärente Oszillationen der Population zwischen den beteiligten Niveaus induziert. Diese Oszillationen werden als Rabi-Oszillationen bezeichnet und beruhen auf quantenmechanischen Effekten der Atom-Licht-Wechselwirkung. Die Rabi-Frequenz $Ω = \frac{\vec{μ} \cdot {\vec{B}}_{M W}}{h}$
ist dabei proportional zur Magnetfeldkomponente entlang der Achse des magnetischen Moments der NV-Zentren. Die Magnetfeldkomponenten unterscheiden sich wiederum für die vier möglichen Raumrichtungen. Deshalb sind Oszillationen mit nur einer Frequenz unter Aufspaltung in einem statischen Magnetfeld möglich. Ohne das externe Magnetfeld werden vier sich überlagernde Schwingungen angeregt, die verschiedene Amplituden und Frequenzen haben. Die Amplituden und Frequenzen hängen von der Polarisation des Mikrowellenfeldes in Relation zu den jeweiligen NV-Achsen im Diamantgitter ab.
Eine typische Messsequenz von Rabi-Oszillationen nutzt wieder die optisch detektierte magnetische Resonanz ODMR. Mit anderen Worten wird zunächst eine Spinpolarisation durch optisches Pumpen (Anregung mit Licht) hervorgerufen. In 8 ist gezeigt, wie Laserlicht über eine bestimmte Zeitdauer das Spin-System anregt. Daran anschließend wird ein Mikrowellenpuls (MW) mit variabler Pulsdauer eingestrahlt. Hierbei wird bevorzugt jeweils eine fest vorgegebene Pulsdauer verwendet. Nach dem Mikrowellenpuls wird das System mittels des Lasers erneut optisch angeregt und gleichzeitig die Fluoreszenzintensität gemessen. Durch den Vergleich zu einer sonst identischen Sequenz, bei der kein Mikrowellenpuls eingestrahlt wird, wird die relative Fluoreszenzintensität bestimmt. Eine Sequenz vieler Messungen mit unterschiedlichen Mikrowellenpulsdauern und das Ergebnis der relativen Fluoreszenz F_rel ist in 9 exemplarisch für einen Abstand von d = 250 µm dargestellt. Durch Wiederholen der in 8 gezeigten Sequenz und Messen dieser Sequenz jedoch ohne Mikrowellenpuls kann die relative Fluoreszenzleistung bestimmt werden. Für jede Pulsdauer ist sie als einzelner Datenpunkt dargestellt. Durch Variation der Mikrowellenpulsdauer, die in 9 für eine Zeitspanne von 100 ns bis 4,1 µs variiert wird, können Rabi-Oszillationen (als Datenpunkte) optisch gemessen werden. Die relative Fluoreszenzleistung ist über die Mikrowellenpulslänge aufgetragen.
Eine wichtige Eigenschaft der NV-Zentren im Diamantgitter, die diese Messungen ermöglicht, ist die Kohärenz der Spinzustände, welche durch Relaxationszeit und Dephasierungszeit charakterisiert sind. Wie der 9 zu entnehmen, sinkt die Amplitude der Oszillationen exponentiell durch diese Relaxation und Dephasierung. Zur Messung dieser Oszillation ist daher ein Spin-System notwendig, bei dem diese Relaxationszeit groß ist im Vergleich zur Bandbreite des übrigen Messaufbaus, insbesondere der Signalgeneratoren (Mikrowellengenerator und Generator für eine Lichtquelle) und der Detektoren.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass mit dem hier beschriebenen Vorgehen und geeigneten Messsequenzen eine Abstandsbestimmung im Nanometerbereich und Mikrometerbereich auf höchst präzise Weise möglich ist. Hierzu ist lediglich eine vorherige Kalibrierung notwendig, um von den Rabi-Frequenzen auf den Abstand zwischen Mikrowellenantenne und Spin-System rückschließen zu können. Eine derartige Kalibrierungskurve oder Referenzkurve zeigt 10.
Messarten
Mit der erfindungsgemäßen Messanordnung können unterschiedliche Arten der Messung vorgenommen werden, die jeweils eine exakte Messung von kleinsten Abständen ermöglicht. Die einzelnen Verfahren lassen sich einteilen in gepulste optische Messung mit externem Magnetfeld, kontinuierliche optische Messung mit externem Magnetfeld, gepulste optische Messung ohne externes Magnetfeld und kontinuierliche optische Messung ohne externes Magnetfeld.
Bei den Messungen mit externem Magnetfeld wird zunächst durch das externe Magnetfeld mit einer Stärke von wenigstens wenigen mT, bevorzugt wenigstens 2 mT, sehr bevorzugt wenigstens 5 mT ein statisches Magnetfeld angelegt. Vorzugsweise ist die Magnetfeldstärke im Bereich von 5 mT bis 20 mT, wobei höhere Feldstärken, beispielsweise größer 50 mT, größer 100 mT oder größer 200 mT möglich sind. In einem nächsten Schritt werden die Resonanzfrequenzen mittels einer Aufnahme eines sogenannten ODMR-Spektrums (optisch detektierte magnetische Resonanz) ermittelt. Dabei wird eine Resonanzfrequenz zur Mikrowellenanregung verwendet.
Als Alternative zu vorbestimmten oder abgespeicherten Kalibrierdaten hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zunächst eine Kalibrierung der Abstandsmessung durchgeführt wird. Hierzu werden vorzugsweise drei wohldefinierte und exakt bestimmte Abstände und Messungen der Rabi-Frequenzen durchgeführt. Auf Basis dieser Messungen wird eine Kalibrierfunktion oder Resonanzfunktion bzw. Kalibrierkurve oder Resonanzkurve erstellt. Alternativ kann auch eine Kalibriertabelle erzeugt werden. Mittels weniger Messwerte und einer Fitfunktion, etwa $Ω (d) = A exp (- \frac{d}{d_{0}})$
mit exponentiellem Verlauf und den Parametern A und d₀, kann beispielsweise eine Kalibrierkurve angegeben werden, wie in 10 gezeigt.
Gepulste optische Messung mit externem Magnetfeld
Zur Abstandsmessung wird zunächst ein beliebiger Abstand eingestellt, der zu bestimmen ist. Dieser Abstand liegt vorzugsweise zwischen vorher kalibrierten Punkten der Kalibrierkurve.
Ein weiterer Schritt sieht die Messung von Rabi-Oszillationen bzw. Rabi-Frequenzen vor, wobei zunächst eine Anregung mit einem Lichtpuls, beispielsweise einem Laserlichtpuls mit typischen Zeitdauern von 5 µs bis 100µs erfolgt. Hierdurch wird eine Spinpolarisation hervorgerufen, wie oben beschrieben. In einem nächsten Schritt wird ein Mikrowellenpuls von einer in dem zu ermittelnden Abstand vom Spin-System angeordneten Mikrowellenantenne ausgestrahlt. Die Pulsdauer ist typischerweise zwischen 10 ns und 5 µs. Hierdurch erfolgt die Spinmanipulation. Ein weiterer Schritt sieht das Erfassen des Lichtpulses vor, bei dem die spinabhängige Fluoreszenzintensität detektiert wird. Typische Zeitdauern sind hier im Bereich 300 ns bis 5 µs.
Nach der Messung mit Mikrowellenpuls folgt nun eine Messung ohne Mikrowellenpuls. Hierzu wird erneut das Spin-System mit einem Laserlichtpuls wie oben beschrieben beaufschlagt, um eine Spinpolarisation durchzuführen. Der Mikrowellenpuls wird nun ausgesetzt bzw. nicht angeregt. Anschließend erfolgt das Detektieren der abgestrahlten spinabhängigen Fluoreszenzintensität.
Die beiden Messwerte, zum einen Mikrowellenanregung und zum anderen ohne Mikrowellenanregung, können in einem Speicher oder in einer Speichereinheit zwischengespeichert werden. Aus diesen beiden Messwerten wird eine Berechnung der relativen Fluoreszenzleistung durchgeführt, wonach die Fluoreszenzleistung S = I(MW) / I(0) beschrieben wird. I(MW) ist der detektierte Lichtpuls mit Mikrowellenanregung I(0) ist der detektierte Lichtpuls ohne Mikrowellenanregung.
Die hier beschriebenen Schritte werden für Mikrowellenpulse mit unterschiedlichen Zeitdauern durchgeführt, vorzugsweise mit unterschiedlichen Pulsflächen. Bei einem Mikrowellenpuls in Rechteckform bedeutet dies bei gleicher Amplitude eine längere Zeitdauer, für die der Mikrowellenpuls auf das Spin-System einwirkt.
Aus der Auswertung der Daten können die Rabi-Frequenzen bestimmt werden. Dies kann mittels einer Fitkurve, beispielsweise $S (t_{M W}) = A cos (Ω t_{M W} + Φ_{0}) exp (- \frac{t_{M W}}{τ}) + c,$
oder mittels Fouriertransformation geschehen. Mittels einer Kalibrierfunktion, Kalibriertabelle, Kalibrierkurve oder Referenzkurve lässt sich nun aus der gemessenen Rabi-Frequenz der Abstand exakt bestimmen.
Kontinuierliche optische Messung mit externem Magnetfeld
Bei dieser Messart wird ebenfalls zunächst ein statisches Magnetfeld angelegt, um die Resonanzfrequenzen für die Mikrowellenanregung zu ermitteln. Eine Kalibrierung zur Abstandsmessung muss ebenso vorgenommen werden, diese kann wie oben beschrieben erfolgen.
Zur Bestimmung eines beliebigen Abstands zwischen vorher kalibrierten Punkten erfolgt nun ein kontinuierliches Einstrahlen von Licht, insbesondere Laserlicht. In einem weiteren Schritt wird während des Einstrahlens von Licht ein Mikrowellenpuls von der Antenne auf den Laseremitter abgestrahlt, und während dieser Zeit des Einstrahlens des Lichts und des Mikrowellenpulses wird das von dem Spin-System abgestrahlte Fluoreszenzsignal erfasst.
Die Auswertung der Daten zur Bestimmung der Rabi-Frequenzen erfolgt wie oben mittels Fitkurve oder Fouriertransformation. Ein anschließender Vergleich der gemessenen Rabi-Frequenz mit den Kalibrierwerten führt zur Bestimmung des Abstands.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn ein großes Ensemble an NV-Zentren (Nitrogen-Vacancies-Zentren; Stickstoff-Fehlstellen-Zentren) vorhanden ist. Auch hat sich eine geringe Laserleistung positiv ausgewirkt. Die Spinpolarisation ist dann langsamer als die Dephasierung und erlaubt die Messung von Rabi-Oszillationen.
Gepulste optische Messung ohne externes Magnetfeld
In diesem Fall entfallen die Messungen zur Bestimmung der Resonanzfrequenzen. Vielmehr wird bei bekanntem Spin-System mit den bekannten Resonanzfrequenzen gemessen. Bei einem Diamantkristall mit NV-Zentren, der im HPHT-Verfahren (high pressure high temperature) hergestellt wurde liegen diese Frequenzen bei 2,865 GHz und bei 2,875 GHz. Sie sind zuvor bekannt.
Auch hier erfolgt eine Abstandskalibrierung bzw. eine Kalibriermessung zur Bestimmung einer Kalibrierkurve, wie oben beschrieben.
Die Ermittlung eines beliebigen Abstands erfolgt nun, wie ebenfalls oben beschrieben, zunächst mit einem Mikrowellenpuls und anschließend ohne Mikrowellenpuls, wobei jeweils die Fluoreszenzintensität gemessen und daraus die relative Fluoreszenzleistung berechnet wird. Diese Messfolge wird für verschiedene Pulsflächen und/oder Pulszeitdauern (Pulslänge) für den Mikrowellenpuls wiederholt.
Die Auswertung der Daten in diesem Fall führt zur Bestimmung von vier Rabi-Frequenzen Ω_i, mit i = 1,2,3,4, mittels einer Fitkurve, beispielsweise über eine Summenfunktion der oben genannten Fitkurve, z.B. $S (t_{M W}) = \sum_{i} A_{i} cos (Ω_{i} t_{M W} + Φ_{0}) exp (- \frac{t_{M W}}{τ}) + c,$
oder mittels einer Fouriertransformation. Dem Fachmann ist das Vorgehen bekannt.
Der Vergleich der gemessenen Rabi-Frequenzen mit den Kalibrierwerten bzw. Kalibrierkurve lässt dann eine Bestimmung des Abstands zu.
Kontinuierliche optische Messung ohne externes Magnetfeld
Auch hier werden wieder die bekannten Mikrowellenresonanzen bei 2,865 GHz und 2,875 GHz verwendet, wie oben beschrieben. Nach einer Abstandskalibrierung wird ein beliebiger zu messender Abstand zwischen Mikrowellenantenne und Spin-System eingestellt.
Die Messung erfolgt in gleicher Weise wie im obigen Fall bei der kontinuierlichen Messung mit statischem Magnetfeld. Die Auswertung erfordert hier jedoch die Bestimmung der vier Rabi-Frequenzen, z.B. mittels einer summierenden Fitkurve. Alternativ kann auch hier eine Fouriertransformation durchgeführt werden. Der Vergleich der ermittelten Rabi-Frequenzen mit den Kalibrierwerten liefert den exakten Abstandsmesswert.
Insgesamt ergibt sich hierdurch eine Mehrzahl von Möglichkeiten von sehr genauen Abstandsmessungen, die jeweils auf dem gleichen Prinzip und der gleichen Erkenntnis beruhen, wonach die von einem Mikrowellenmagnetfeld im Nahbereich hervorgerufenen Rabioszillationen abhängig vom Abstand der Antenne zum Spin-System sind.
Die Erfindung wurde anhand der Zeichnungen und der Beschreibung umfassend beschrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Offenbarung und der nachfolgenden Patentansprüche.
In den Patentansprüchen schließen die Wörter „umfassen“ und „mit“ nicht das Vorhandensein weiterer Elemente oder Schritte aus. Der undefinierte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Ein einzelnes Element oder eine einzelne Einheit kann die Funktionen mehrerer der in den Patentansprüchen genannten Elemente ausführen. Ein Element, eine Einheit, eine Vorrichtung können teilweise oder vollständig in Hard- und/oder in Software umgesetzt sein. Die bloße Nennung einiger Maßnahmen in mehreren verschiedenen abhängigen Patentansprüchen ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht ebenfalls vorteilhaft verwendet werden kann. Bezugszeichen in den Patentansprüchen sind nicht einschränkend zu verstehen.
Bezugszeichenliste

10: Messanordnung
12: Antenne
14: Mikrowellenantenne
16: Spin-System
18: Mikrowellengenerator
20: Lichtquelle
22: Laserlichtquelle
24: Lichtwellenleiter
26: Lichtsensor
28: Photodiode
30: Speicher
32: Analyseeinheit
34: Magnetfeldquelle
36: statisches Magnetfeld
38: Koppeleinheit
40: teildurchlässiger Spiegel
42: optischer Filter
44: Pfeil
46: Pfeil
48: Pfeil

Claims

Messanordnung (10) zum präzisen Messen kleiner Abstände zwischen einer Antenne (12) und einem Spin-System (16), umfassend - eine Lichtquelle (20) zum Erzeugen von Licht mit einer vorbestimmten Emissionswellenlänge; - einen Lichtsensor (26) zum Detektieren eines Lichtsignals, das von dem Spin-System (16) abgestrahlt wird; - einen Mikrowellengenerator (18) zum Erzeugen eines Mikrowellenpulses mit einer vorbestimmten Pulslänge, der mittels der Antenne (12) in Richtung Spin-System (16) abgestrahlt wird; - einen Speicher (30) zum Abspeichern von Datenpunkten für das gemessene und detektierte Lichtsignal; - eine Analyseeinheit (32) zum Auswerten der gespeicherten Datenpunkte und zum Ermitteln eines Messwertes und zum Bestimmen des Abstands zwischen Antenne (12) und Spin-System (16) aus dem Messwert mittels einer Kalibrierkurve; wobei die Analyseeinheit (32) dazu ausgebildet ist, um Rabi-Frequenzen zur Ermittlung des Abstands zwischen Spin-System (16) und Antenne (12) zu verarbeiten.
Messanordnung (10) nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Magnetfeldquelle (34) zum Erzeugen eines statischen Magnetfelds (36), das auf das Spin-System (16) wirkt.
Messanordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseeinheit (32) dazu ausgebildet ist, um eine Fourier-Transformation auszuführen, um den Messwert aus den Datenpunkten zu ermitteln.
Messanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseeinheit (32) dazu ausgebildet ist, um eine Kalibrierkurve zwischen Rabi-Frequenz und Abstand auszuwerten.
Messanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (12) eine Mikrowellenantenne ist, die dazu ausgebildet ist, magnetische Mikrowellenpulse in ihrem Nahfeld zu erzeugen.
Messanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrowellengenerator (18) zum Erzeugen eines Mikrowellenpulses dazu ausgebildet ist, ein Speisesignal mit einer vorgegebenen Frequenz für die Antenne (12) zu erzeugen und an die Antenne (12) zu übertragen, wobei die Frequenz bevorzugt größer 1 GHz ist, besonders bevorzugt zwischen 2,4 GHz und 3,5 GHz liegt, sehr bevorzugt zwischen 2,65 GHz und 3,1 GHz liegt und/oder wobei die Frequenz von der Stärke eines statischen Magnetfelds abhängt.
Messanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrowellenpuls eine Pulsdauer zwischen 1 nsec und 10 µsec hat, bevorzugt zwischen 10 nsec und 5 µsec.
Messanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (20) Laserlicht mit einer Wellenlänge kleiner 630 nm erzeugt, bevorzugt mit einer Wellenlänge zwischen 480 nm und 580 nm, besonders bevorzugt mit einer Wellenlänge zwischen 500 nm und 530 nm.
Messanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtwellenleiter (24) das Licht von und/oder zu dem Spin-System (16) leitet und dass bevorzugt in den Lichtwellenleiter (24) Licht von der Lichtquelle (20) eingekoppelt und zum Spin-System (16) geleitet wird, und bevorzugt abgestrahltes Licht von dem Spin-System (16) mittels des Lichtwellenleiters (24) zu dem Lichtsensor (26) geleitet wird, wobei besonders bevorzugt der Lichtwellenleiter (24) einen optischen Filter (42) umfasst, um Fluoreszenzlicht mit einer Wellenlänge größer als die Wellenlänge des von der Lichtquelle (20) erzeugten Lichts zu transmittieren und Streulicht außerhalb des Fluoreszenzbereichs des Spin-Systems (16) herauszufiltern.
Messanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spin-System (16) ein optisch aktives Spin-System mit Spin-Freiheitsgrad ist, bevorzugt das Spin-System (16) Diamanten umfasst, sehr bevorzugt Diamanten mit Fehlstellen, besonders bevorzugt Diamanten mit Stickstoff-Fehlstellen.
Messanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsensor (26) ein optischer Detektor ist, um Licht oder ein Lichtsignal zu empfangen, wobei der Lichtsensor (26) bevorzugt eine Photodiode (28), ein Photonenzählwerk oder eine Avalanchediode umfassen kann.
Verfahren zum präzisen Messen kleiner Abstände zwischen einer Antenne (12) und einem Spin-System (16) mittels einer Messanordnung, umfassend die folgenden Schritte: a) Aussenden von Licht mit einer vorbestimmten Emissionswellenlänge von einer Lichtquelle (20) zu einem Spin-System (16); b) Aussenden eines Mikrowellenpulses mit einer vorbestimmten Pulslänge von einer Antenne (12) zu dem Spin-System (16); c) Messen eines von dem Spin-System (16) abgestrahlten Lichtsignals mit einem Lichtsensor (26) während des Aussendens des Mikrowellenpulses; d) Speichern eines Datenpunktes für das gemessene Lichtsignal; e) Wiederholen der obigen Schritte c) und d) für eine gewünschte Anzahl von Datenpunkten während des Aussendens des Mikrowellenpulses; f) Auswerten der Datenpunkte mittels einer Analyseeinheit (32); g) Ermitteln eines Messwertes aus den Datenpunkten; h) Ermitteln und Auswerten von Rabi-Frequenzen zur Bestimmung des Abstands zwischen Antenne (12) und Spin-System (16); und i) Bestimmen des Abstands zwischen Antenne (12) und Spin-System (16) aus dem Messwert mittels einer Kalibrierkurve.
Verfahren zum präzisen Messen kleiner Abstände zwischen einer Antenne (12) und einem Spin-System (16) mittels einer Messanordnung (10), umfassend die folgenden Schritte: a) Aussenden von Licht mit einer vorbestimmten Emissionswellenlänge von einer Lichtquelle (20) zu einem Spin-System (16); b) Ausschalten der Lichtquelle (20); c) Aussenden eines Mikrowellenpulses mit einer vorbestimmten Pulslänge von einer Antenne (12) zu dem Spin-System (16); d) Erneutes Aussenden von Licht mit der vorbestimmten Emissionswellenlänge von der Lichtquelle (20) zu dem Spin-System (16); e) Messen eines von dem Spin-System (16) abgestrahlten Lichtsignals mit einem Lichtsensor (26) während des Aussendens von Licht; f) Speichern eines Datenpunktes für das gemessene Lichtsignal; g) optionales Ausschalten der Lichtquelle (20); h) Ändern der Pulslänge des Mikrowellenpulses; i) Wiederholen der Schritte a) bis h) für eine gewünschte Anzahl an Datenpunkten; j) Auswerten der Datenpunkte mittels einer Analyseeinheit (32); k) Ermitteln eines Messwertes aus den Datenpunkten; und I) Bestimmen des Abstands zwischen Antenne (12) und Spin-System (16) aus dem Messwert mittels einer Kalibrierkurve.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, umfassend den weiteren Schritt: - Erzeugen eines statischen Magnetfelds (36), das auf das Spin-System (16) wirkt.
Verfahren nach Anspruch 13, umfassend den weiteren Schritt: - Ermitteln und Auswerten von Rabi-Frequenzen zur Bestimmung des Abstands zwischen Antenne (12) und Spin-System (16).