WO2021009203A1 - Devices and methods for magnetic field-dependent optical detection - Google Patents

Devices and methods for magnetic field-dependent optical detection Download PDF

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WO2021009203A1
WO2021009203A1 PCT/EP2020/069959 EP2020069959W WO2021009203A1 WO 2021009203 A1 WO2021009203 A1 WO 2021009203A1 EP 2020069959 W EP2020069959 W EP 2020069959W WO 2021009203 A1 WO2021009203 A1 WO 2021009203A1
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WO
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magnetic field
objective
centers
center
microscope
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PCT/EP2020/069959
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German (de)
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Ulrich Vogl
Nils Trautmann
Petr SIYUSHEV
Bernhard Schwarz
Lorenz Lechner
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Carl Zeiss Ag
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    • GPHYSICS
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    • G02B21/0024Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
    • G02B21/0028Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders specially adapted for specific applications, e.g. for endoscopes, ophthalmoscopes, attachments to conventional microscopes
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    • G01R33/28Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/32Excitation or detection systems, e.g. using radio frequency signals
    • G01R33/323Detection of MR without the use of RF or microwaves, e.g. force-detected MR, thermally detected MR, MR detection via electrical conductivity, optically detected MR

Definitions

  • Magnetic field-dependent optics and relates in particular to an objective for a microscope, a device with a microwave antenna arrangement, a microscope, a use of a microscope and a method for three-dimensional determination of a magnetic field.
  • Magnetic fields can be determined optically by means of NV centers - that is to say by means of color centers, for example, which can be optically excited depending on a magnetic field effective at the respective color center and which emit emission light.
  • a microscope for example, can be converted in order to optically excite such color centers and to detect the emission light emitted by the color centers in an imaging manner.
  • further modifications to the microscope or extensions for a measurement setup with a microscope may be necessary in order to influence the color centers in a certain way - for example by means of microwave radiation - so that they can be optically excited depending on the magnetic field or emit emission light depending on the magnetic field.
  • fluorescence or phosphorescence from NV centers - for example in applications such as medical imaging or biosensors, in which NV centers can be used as a fluorescent substance, or in the Quantum cryptography or for quantum computer systems - depending on the magnetic field effective there and any other influencing variables.
  • NV centers could serve as an emitter in a solid-state-based single photon source at room temperature.
  • NV centers and measurement setups are also interesting for various commercial fields such as the investigation of electrical circuits or for an optically integrated biosensor due to the controllable fluorescence, a high achievable sensitivity and / or a large achievable range on an optically detected (microwave) resonance of an NV center.
  • an optically integrated biosensor is described in US Pat. No. 8,193,808 B2.
  • the invention meets this need by an objective for a microscope, by a device with a microwave antenna arrangement, by a microscope, by the
  • a first aspect of the invention relates to an objective for a microscope, the objective having a solid-state element with at least one NV center which can be arranged in a beam path of the objective.
  • an “NV center” is to be understood as at least one color center, the color center being dependent on a magnetic field effective there by means of a
  • Excitation light is optically excitable and emission light can be emitted from the excited color center.
  • a color center can be a defect in a matrix structure, in particular in a (possibly crystalline) solid.
  • An intensity of the emission light can also be dependent on a resonant microwave absorption, the resonant
  • Such a NV center can also be a nitrogen vacancy center in a diamond lattice, for example a so-called [NV] _ center, which is the subject of current research.
  • a model is currently based on a multi-electron system, which is a 3-level system with a triplet ground state and an excited triplet state and at least one energetically between the ground state and the excited state Intermediate state - especially a singlet state - (or about two intermediate states according to Doherty, Marcus W .; Manson, Neil B .; Delaney, Paul; Jelezko, Fedor; Wrachtrup, Jörg; Hollenberg, Lloyd CL (2013-07-01).
  • the nitrogen-vacancy color center in diamond Physics Reports. The nitrogen-vacancy color center in diamond. 528 (1): 1-45).
  • NV center can be a color center in a diamond matrix, such as an ST1 or “Stuttgart T” color center.
  • the matrix structure can also be made from 4H-SiC and, for example, a solid-state matrix, in particular a crystal lattice, made from 4H-SiC.
  • Such a matrix structure made of 4H-SiC can be a color center such as a so-called “VcVsi DiVacancy” or a so-called “NV Nitrogene Vacancy” or a so-called “hexagonal lattice site Silicon vacancy (VSi)” (see for example NATURE COMMUNICATIONS
  • One advantage of arranging the solid-state element with at least one NV center can in particular be that a magnetic field-dependent emission from the NV center can be detected via the objective using a microscope.
  • a commercially available microscope can be fitted with such an objective - for example for the respective microscope
  • the solid-state element can also be rigidly or movably connected to the objective in such a way that, in a connection position for detecting the at least one NV center, the NV center is fixedly arranged in the beam path of the objective, in particular in an image area relative to the rest of the objective NV center can be assigned to a specific position in the image area.
  • a microscope set up for this purpose can also be used to shift an object to be imaged relative to the objective so that different areas of the object are imaged in the image area, with the position of the NV center moving relative to the object and thus the NV center at different levels of the respective mapped area can be arranged on the object.
  • a second aspect of the invention relates to a device with a
  • the device has a diamond plate with at least one NV center.
  • the device is an objective for a microscope, in particular according to the first aspect of the invention.
  • the device is a slide for a microscope.
  • the possible advantages, embodiments or variants of the first aspect of the invention also apply accordingly to the device with a microwave antenna arrangement.
  • the device with diamond plate, the objective and microscope slide can be used for
  • microwave antenna arrangement Use magnetic field-dependent optical detection, whereby - in some embodiments - energetic states of the at least one NV center in the basic state or in the (optically) excited state, which differ in energy due to the magnetic field effective there, can be excited by means of the microwave antenna arrangement.
  • One advantage of having the microwave antenna arrangement can in particular be that the number of different parts for converting a (commercially available) microscope for magnetic field-dependent optical detection is reduced and handling is thus simplified. With some variants of such a lens, both with
  • Solid-state elements with an NV center as well as with a microwave antenna arrangement both interact synergistically and further simplify handling.
  • the at least one NV center and the microwave antenna arrangement - that is to say, for example, frequencies and spatial field profiles of electric fields that can be achieved by means of the microwave antenna arrangement - can also be adapted to one another, thereby further simplifying the
  • a third aspect of the invention relates to a microscope which is set up for 2-pi or 4-pi microscopy and has a solid-state element with at least one NV center in a focal point.
  • the possible advantages, embodiments or variants of the preceding aspects of the invention also apply accordingly to the microscope for 2-pi or 4-pi microscopy with the at least one NV center. If the at least one NV center is arranged in the focal point, the sensitivity - that is to say in particular the light yield with respect to the emission light of the NV center - and thus the efficiency can advantageously be increased. The spatial resolution can also be improved if there are several NV centers in the solid element.
  • the microscope has one as the solid-state element
  • Diamond platelets with one or more NV centers are Diamond platelets with one or more NV centers.
  • Electron spin resonance at at least one NV center The microscope is designed according to the third aspect of the invention or the microscope has an objective according to the first or a device according to the second aspect of the invention.
  • the possible advantages, embodiments or variants of the preceding aspects of the invention also apply accordingly to the use of the microscope.
  • An advantage of determining a magnetic field by means of NV centers or the at least one NV center and the microscope can in particular be that an imaging determination with a - corresponding to such a microscope - high optical resolution - for example compared to methods for determining magnetic fields by means of Coils - as well as, in the case of several NV centers, simultaneous detection of the magnetic field at several positions (according to the number and position of the respective NV centers, in particular a simultaneous one
  • Imaging for these multiple positions and / or a high sensitivity and / or a large dynamic range can be made possible.
  • a fifth aspect of the invention relates to a method for three-dimensional determination of a magnetic field.
  • the method comprises arranging a solid-state element with a plurality of NV centers in the magnetic field to be determined.
  • the method also includes three-dimensional scanning of the solid-state element by means of a confocal microscope, with one NV center or several NV centers of the plurality of NV centers being excited at a respective focal point during scanning, microwave radiation for an electron spin resonance at the respective NV Centers is emitted and is detected by light emitted at the respective focal point by the NV centers as a function of the electron spin resonance.
  • the method includes detecting light emitted by the NV centers at the respective focal point as a function of the
  • FIG. 3 shows an objective having a movable solid-state element with an NV center according to one embodiment
  • Fig. 5 shows a device with a diamond plate and a
  • Microwave antenna arrangement and several NV centers in the diamond plate according to one embodiment
  • FIG. 6 shows a microscope for 2-pi microscopy according to an embodiment
  • FIG. 9 shows a measurement setup for three-dimensional determination of a magnetic field by means of a confocal microscope and a plurality of NV centers after a
  • FIG. 10 shows a flow diagram of a method for three-dimensional determination of a magnetic field according to an embodiment.
  • Units and elements can also be called indirect connections or couplings
  • data connections can be wired or wireless, that is to say in particular as radio connections.
  • Connections such as electrical connections, for example for energy supply, the
  • optical connections - for example between optical elements - which can be represented in particular as a straight light beam, can also be implemented in some variants by means of a light guide and / or optical elements such as mirrors for deflecting light beams, such connections for the sake of clarity are not necessarily shown.
  • FIG. 1 schematically illustrates an atomic structure of an NV center such as a nitrogen vacancy center with a ball-and-stick model of a [NV] - center (140) without a surrounding diamond lattice.
  • NV center such as a nitrogen vacancy center with a ball-and-stick model of a [NV] - center (140) without a surrounding diamond lattice.
  • FIG. 1 shows a vector for an external magnetic field 80 and an axis of the NV center 148 - with respect to which a spin is
  • Multi-electron system of the NV center is defined - shown. It goes without saying that, in addition to the external magnetic field 80, a magnetic field due to the magnetic moments of the atomic nuclei is also effective on electrons of the multi-electron system or these magnetic fields are superimposed, with - unless reference is made separately to these additional magnetic moments - in the sense of According to the invention, the “magnetic field effective there” is to be understood as the magnetic field which occurs there, i.e. at the respective NV center, due to the external magnetic field.
  • FIG. 2 shows an energy diagram 40 for an NV center such as a [NV] center according to current modeling (cf., for example, Rogers, L. J .; Armstrong, S .; Sellars, M. J .; Manson,
  • the multi-electron system of the NV center has a triplet ground state
  • an optical detection of a magnetic field - or more generally a magnetic field-dependent optical detection - based on an NV center can be carried out
  • excitation light 46 with sufficient energy per photon i.e. a green laser with a wavelength less than about 532 nm - such as, as shown, with a wavelength of 515 nm -
  • the [NV] - center can be reduced from the ground state
  • g> is excited with m s + 1, correspondingly as an excited state
  • e> with m s +1 is reached.
  • the NV center can then, with the emission of a photon, i.e.
  • emission light 56 and thus fluorescence return to the corresponding state of the triplet ground state - i.e. from the excited state
  • e> with m s + 1 to the ground state
  • g> with m s +1 - get; at a [NV] _ center, for example, a photon with 637 nm, i.e. red emission light, can be emitted.
  • This transition is also called a radiating transition or optical transition, with the (emission / fluorescence) light emitted here usually being detected optically.
  • zg> competes with the radiant transition.
  • electron spin resonance can also include such an excitation while varying the (external) magnetic field and measuring the
  • Magnetic field-dependent absorption of microwave radiation can be understood (see e.g. https://de.wikipedia.org/wiki/Elektronenspinresonanz).
  • Fluorescence or the emitted emission light determine an effective (external) magnetic field at the NV center.
  • Other variants based on the NV center are also possible for determining the magnetic field, such as a variation of the frequency of the
  • Microwave radiation so that the fluorescence remains the same, the external magnetic field being determined based on the respective variation.
  • a calibration may be required in order to orient the axis 148 of the NV center and / or a magnetic field that acts on the basis of the magnetic moments of the NV center (for example from the atomic nuclei of the NV center) and which interacts with the superimposed on the external magnetic field.
  • Fluorescent substances together with appropriate methods and devices - such as appropriately equipped microscopes - are made possible.
  • FIG 3 shows an objective 100 for a microscope, the objective having an NV center 140, according to an embodiment of the present invention.
  • the objective 100 has a connecting device 102 which is set up for connection to the microscope, a housing 110 and a carrier plate 120 which is movably connected to the housing 110 by means of a movement device 112 of the objective 100.
  • the movement device 112 has one Plain bearings on or consists of it.
  • the connecting device 102 has or consists of a thread and is formed on a side of the housing 110 facing the microscope.
  • the carrier plate 120 has a first lens 122, a solid-state element 124 and a second lens 126.
  • the solid-state element 124 has at least one NV center 140 and is integrally and optically permeable to the first lens 122, for example by means of an optical adhesive 123.
  • the first lens 122 and the second lens 126 can also be combined with the carrier plate 120, which for example have an optical
  • the carrier plate 120 and the movement device 112 are set up to move the carrier plate 120 relative to the housing 110 into a first connection position for detecting the at least one NV center 140 by means of a movement such that the first lens 122, the solid-state element 124 and the NV- Center 140 are arranged in a fixed position in the beam path of the objective. In addition, they are
  • Carrier plate 120 and the movement device 112 set up by means of a movement to move the carrier plate 120 relative to the housing 110 in such a way into a second connection position for detecting an object which is arranged on a side of the objective facing away from the beam path from the microscope for imaging by means of the microscope that the second lens 126 is arranged in a fixed position in the beam path and directs light from the object into the beam path or, conversely, directs light that runs from the microscope through the beam path to the object.
  • the first lens 122 is semispherically shaped on a side facing the microscope with respect to the beam path, whereby the light yield, in particular the light emitted by the NV center, can advantageously be increased.
  • the carrier plate 120 has a first optical element 128 which is arranged and set up relative to the first lens 122 when it is in the first connection position together with the first lens 122, the solid-state element 124 and the NV center 140 in the beam path of the objective is arranged to compensate for a spherical aberration due to the semispherically shaped first lens 122.
  • This first optical element 128 can advantageously be used for the second connection position by means of the movement Remove the solid-state element 124 with the NV center 140 from the beam path together with the semispherically shaped first lens 122, so that they do not interfere with an image of the object using the second lens 128 and, in particular, a sharp image is made possible.
  • a further objective 100 according to an embodiment of the present invention is shown as a schematic section.
  • the further objective 100 has a housing 110, a
  • Connecting device 102 and possibly one or more further optical elements 116 in a beam path of the objective is designed in some variants similar to the objective from FIG. 3, wherein the connecting device 102 can have a thread so that the objective 100 can be connected to a commercially available microscope by means of the thread 102.
  • the further objective 100 also has a solid-state element 124, which is designed as a front lens of the objective and, with respect to the beam path, on a side of the objective facing away from the microscope, in particular as the last optical element along the beam path from the microscope via the objective to a possible microscope Object, is arranged and shaped in such a way that when an object at the lens for
  • the front lens 124 has at least one — or, as shown — several NV centers 140, which are arranged in such a way that light is guided from these NV centers 140 into the beam path and thus when the (further) lens 100 is connected to a microscope , imaged by means of the microscope and possibly with an image acquisition device, in particular in an imaging manner.
  • the front lens 124 consists of diamond - in particular of precisely one monocrystalline diamond -, the NV centers 140 being nitrogen defect centers, in particular [NV] _ centers. In this advantageous way, good optical
  • the further lens 100 also has a microwave antenna arrangement 280, which is set up to emit microwave radiation to the NV centers 140 in a frequency range for electron spin resonance of the NV centers, this frequency range being in the gigahertz range in some variants, for example for variants with [NV] _ centers than the NV centers 140 is in a range at 2.87 GHz and the microwave antenna arrangement 280 is accordingly set up approximately to emit microwave radiation between 2.5 GHz and 3.5 GHz.
  • the microwave antenna arrangement 280 is arranged at the front lens, that is to say in the solid-state element 124 with the NV centers 140, in order to enable a stronger coupling of the microwave antenna arrangement 280 to the NV centers 140 in comparison with an arrangement further away.
  • the microwave antenna arrangement 280 is also arranged in the housing 110 in order, in particular, to protect the microwave antenna arrangement 280, to enable a compact lens 100 and / or to facilitate the handling of the lens 100.
  • the further objective 100 has - as shown - in some variants a
  • Magnetic field device 180 which is set up a static or low frequency
  • the magnetic field device 180 can also be arranged in some variants in accordance with the microwave antenna arrangement 280 in the front lens 124 and / or in the housing 110.
  • the magnetic field device 180 and the microwave antenna arrangement 280 are also designed as a common microwave magnetic field device which is set up to emit both a static or low-frequency bias field and microwave radiation for electron spin resonance of the NV centers.
  • the microwave antenna arrangement 280 is also designed as a common microwave magnetic field device which is set up to emit both a static or low-frequency bias field and microwave radiation for electron spin resonance of the NV centers.
  • Magnetic field device 180 or the microwave antenna arrangement 280 also set up to emit electromagnetic radiation in the megahertz range for generating eddy currents in a test object.
  • the common microwave magnetic field device (or correspondingly the magnetic field device 180 or the
  • Microwave antenna arrangement 280 has a coil arrangement or consists thereof.
  • the coil arrangement is embodied in an annular manner around the beam path and / or the front lens 124.
  • a coil or several coils of the coil arrangement are coreless, in particular designed as an air coil, with an electrical conductor of the coil / coils winding around the beam path and / or the front lens 124. This makes it possible to achieve good coupling and / or to disrupt the optical
  • the housing 110 has connection elements 282, 284 for the
  • Magnetic field device 180 In some variants, these are linked to the
  • Connecting device 102 integrated or arranged in this, in particular to provide a simple-to-use connection both of the objective 100 to the microscope and a simultaneous connection of the magnetic field device 180 and / or the
  • Microwave antenna arrangement 280 with corresponding systems for generating signals for the microwave radiation, the bias field and / or the
  • the diamond plate 240 has a nitrogen vacancy center, in particular a [NV] _ center, as at least one NV center 140.
  • the diamond plate 240 is made from polycrystalline diamond, which in particular enables simple production.
  • the properties of [NV] _ centers are retained in polycrystalline diamond.
  • the device 200 has a microwave antenna arrangement 280 as well as a first connection element 282 and a second connection element 284 for the microwave antenna arrangement 280.
  • the microwave antenna arrangement 280 as well as a first connection element 282 and a second connection element 284 for the microwave antenna arrangement 280.
  • Microwave antenna arrangement 280 has a structure with an electrical conductor, which is arranged in a meandering manner on one side of the diamond plate 240.
  • the electrical conductor is vapor-deposited onto the diamond plate 240 or the electrical conductor is mechanically connected as a wire to the diamond plate 240, for example via an adhesive connection.
  • the microscope 300 has an objective 100 with a diamond plate 240 as a solid-state element and a microwave antenna arrangement 280.
  • the microscope 300 has an objective 100 and, separately, a solid-state element 124 - for example a diamond plate 240.
  • the diamond plate 240 or the solid-state element 124 has a plurality of NV centers 140, which for
  • Magnetic field-dependent optical detection can be arranged in a focal point of the microscope 300 or in an image area of the microscope.
  • the microscope 300 has in some variants a light source 340, in particular a laser, which is set up to generate an excitation light 304 for the NV centers 140.
  • the light source 340 is designed as a green laser, in particular with a wavelength of 515 nm.
  • the microscope 300 has in some variants an image acquisition device 350, in particular with an electronic image sensor, which is set up to acquire an emission light 305 from the NV centers 140 in an imaging manner.
  • the image capture device 350 has an image sensor which is sensitive to red light, in particular with a wavelength of 637 nm.
  • the microscope 300 also has a beam splitter device 330 which is set up to couple excitation light 304 - for example from a light source 340 - into a beam path of the microscope 300, and emission light 305 emitted from one of the NV centers into the beam path to a beam path exit of the Microscope - in which, for example, an image acquisition device 350 is arranged - to guide.
  • the beam splitter device 330 is designed as a dichroic mirror.
  • the diamond plate 240 is coated on a side facing the microscope with respect to the beam path with an anti-reflective coating 244 for the light emitted by the NV centers. In this advantageous way, multiple reflections can be avoided and the image quality can thus be increased.
  • the diamond plate 240 is coated on a side facing away from the microscope with respect to the beam path with a coating 245 that reflects the light emitted by the NV centers.
  • the NV centers 140 in the diamond plate 240 are close to a surface of the diamond plate arranged at the reflective coating 245 - about less than 100 nm, in particular less than 20 nm away from the surface, whereby
  • the antireflective coating 244 is designed to be antireflective for the excitation light 304 as well, as a result of which, in particular, the efficiency during the excitation can be increased.
  • the reflective coating 245 is embodied as a dichroic coating, which is antireflective for the excitation light 304, which in particular makes it possible to avoid back reflection.
  • the reflective coating 245 can also be antireflective for other wavelengths of light, as a result of which, in particular, an object behind this coating 245 can be detected at least for those wavelengths at which the coating 245 does not reflect the light.
  • the lens 100 is as
  • the mirror lens 100 can be used as the mirror lens 100
  • the mirror objective 100 has a concave mirror 130 and a convex mirror 132.
  • the convex mirror 132 is dichroic and at the same time permeable to the excitation light 304 as well as reflective / specular for the emission light 305, whereby in particular a direct
  • Excitation of NV centers 140 - in particular without imaging via mirror objective 100 - is made possible by means of excitation light 304, while emission light 305 is imaged by means of mirror objective 100 - for example starting from a focal point or from an image area.
  • the convex mirror 132 can also be reflective for the excitation light 304 and for the emission light 305, which in particular enables focusing on a focal point - for example for confocal microscopy.
  • the mirror objective 100 is designed in some variants - as shown in FIG. 7 - in such a way that it has an end mirror 134 - for example comprising diamond - in which the NV centers or the at least one NV center - in particular in the vicinity of a Side of the end mirror 134, which faces an object to be microscoped during microscopy - are formed.
  • the separate convex mirror and the solid-state element or the diamond plate can be omitted, their function being combined in the end mirror 134.
  • one side of the end mirror which faces an object to be microscoped during microscopy is coated with a coating 244 that reflects the emission light 305.
  • a Side of the end mirror which faces away from an object to be microscoped during microscopy, is coated with a coating 245 that is antireflective for the excitation light 304 or with a coating 245 that is reflective for the emission light 305, in particular with a dichroic coating 245, which increases the efficiency of the excitation by means of excitation light 304 can be increased and / or - any interspersed - light components, in particular along the beam path to the NV centers, can be reduced, that is to say, for example, background noise in the spectral range of the emission light 305 can be reduced.
  • One advantage of the mirror objective can in particular lie in the fact that it is achromatic over a large bandwidth or a large range of wavelengths and thus chromatic distortions occur even in the case of emission light 305, which is large
  • Spectral bandwidth - about 100 nm for [NV] _ centers - can be reduced.
  • an electronic chip 574 which is attached to a circuit board 572 in a base 576, is analyzed and currents flowing in the electronic chip 574 are determined by determining the magnetic field.
  • the electronics chip 574 is connected to other components on the circuit board 572 and / or to a
  • the chip 574 can - in its usual function - be operated on the circuit board 572 or can be manipulated in a targeted manner by feeding in certain voltages / currents.
  • the chip 574 has a device with a diamond plate 240, a microwave antenna arrangement 280 and connections 282, 284 for the
  • Microwave antenna assembly attached.
  • Induced magnetic field which influences at least one NV center of the diamond plate in such a way that an electron spin resonance at the at least one NV center is amplified or weakened for a certain frequency by a microwave radiation radiated by means of the microwave antenna arrangement 280, whereby the fluorescence of the is increased when excited by excitation light at least one NV center, i.e. the emitted emission light is reduced or increased.
  • the actuators 372 are designed as piezo actuators or have such.
  • the actuators 372 can also be set up to move the circuit board 572 or, accordingly, another object to be analyzed / examined by a so-called “slip and stick motion”.
  • this chip 574 can also be polished on the open side, which enables particularly good contact and thus particularly good coupling of the magnetic field into the diamond plate.
  • Some variants are also set up to frame an image area to be analyzed by means of the microwave antenna arrangement 280, whereby the electron spin resonance is mainly and efficiently in this area (with a suitable microwave frequency in
  • a corresponding measurement set-up which has a device for generating eddy currents, for example the
  • Microwave antenna arrangement is set up, in addition to electromagnetic radiation in the microwave range, also to generate electromagnetic radiation in the megahertz range, in order to examine an object having a conductive material.
  • an object can be a metallic workpiece - for example from a 3-D printing process.
  • Device for generating eddy currents can be set up to generate the eddy currents in a certain material depth or up to a certain material depth.
  • One advantage of this use can lie in the fact that an electrical conductivity in the object - for example at the specific material depth - can be determined in a spatially resolved manner, the electrical conductivity allowing conclusions to be drawn about the quality of the conductive material. For example, inclusions or poorly formed metallic connections - the extent of which is usually in the range of micrometers - can be determined in a metallic workpiece produced using a 3-D printing process based on a change in the inducible eddy currents and thus a magnetic field resulting therefrom.
  • the measurement setup 500 has the confocal microscope 530.
  • the measurement setup 500 has a solid-state element 540 with a plurality of NV centers 140, the NV centers spatially extending over all three dimensions in the solid-state element 540.
  • the solid element is made 540 of a monocrystalline or polycrystalline diamond, the NV centers are 140 corresponding to [NV _] centers.
  • FIG. 9 shows an object 570 to be examined, which is not necessarily part of the measurement setup 500, but is there for measurement, i.e. H. to determine the magnetic field - in particular such a magnetic field which is generated by the object 570 - can be arranged. Another object can be arranged there accordingly.
  • the confocal microscope 530 has a
  • Beam splitter device 330 and further optical elements 116 which are set up to bundle excitation light 304 in a beam path of confocal microscope 530 onto a focal point, and light 305 emitted by the focal point, in particular
  • the beam splitter device 330 is set up to split the beam path with respect to the excitation light 304 and the light 305.
  • the measurement setup 500 furthermore has a green laser 340 as a light source for exciting the NV centers, in particular with a wavelength of 515 nm, as well as a photodiode 350 for the detection of emission light emitted at the focal point, in particular with a high sensitivity for a wavelength of 637 nm.
  • the measurement set-up can also have another light source and / or an image acquisition device 350 instead of the photodiode, these generating a corresponding excitation light or being sensitive to a corresponding emission light depending on the NV centers used in the measuring set-up.
  • Scanning solid state element 540 d. H. focus the focal point on such a position.
  • a corresponding measurement setup 500 with a corresponding method can also be used for a two-dimensional determination, with NV centers in a two-dimensional Area are scanned and about a diamond plate is used in which the NV centers in a plane - are arranged approximately in the vicinity of a surface of the diamond plate.
  • a particularly high resolution can be achieved by means of confocal microscopy.
  • FIG. 10 shows a flow diagram of a method 400 for three-dimensional determination of a magnetic field according to an embodiment of the present invention.
  • the method 400 has the method steps 420, 430, 432, 434, 436, 442, 446, 448 and 480 as well as the method conditions 410 and 416.
  • Method 400 begins at method start 402 and ends at method end 404.
  • a measurement setup according to the invention in particular a measurement setup described with reference to FIG. 9, can be used.
  • a solid-state element with a plurality of NV centers is arranged in the magnetic field to be determined.
  • a magnetic field can be generated in some variants by an object to be examined.
  • such a magnetic field can also be induced in the object to be examined, for example with a device for generating eddy currents.
  • the method can be used to examine a metallic workpiece - for example when manufacturing or processing with 3-D printing, welding or a casting process.
  • method step 430 the solid element is scanned three-dimensionally by means of a confocal microscope.
  • method steps 432, 434 and 436 are carried out iteratively until, in accordance with method condition 410, a sufficient number of volume elements in the solid element and thus / or a sufficient number of NV centers of the multitude of NV centers has been recorded.
  • a first or, in the case of further iterations, a corresponding further focal point is focused and there one NV center of the plurality of NV centers is optically excited by means of excitation light.
  • microwave radiation is emitted to the NV center, which has a frequency for exciting the electron spin resonance of the NV center.
  • method step 436 an emission light emitted by the NV center at the respective focal point is detected as a function of the electron spin resonance, and method steps 442 and 446 are used for a large number of specific values for this purpose
  • the bias field which is superimposed on the magnetic field to be determined, executed, the determined values defining a strength and a spatial orientation of the bias field.
  • the bias field is generated with one of the plurality of specific values.
  • step 446 the emission light of the NV center at the respective focal point or its change is detected for the value of the plurality of values of the premagnetization field.
  • Method step 442 and method condition 416 can be omitted and method step 430 corresponds to method step 446.
  • method condition 410 a check is made as to whether a sufficient number of
  • the number required in each case can depend on the desired spatial resolution, the total number of NV centers, their arrangement and / or a structure of the magnetic field. For example, for a low spatial resolution and a largely homogeneous magnetic field or a magnetic field with weak gradients, a smaller number of NV centers to be recorded is required than for a high spatial resolution or a highly inhomogeneous magnetic field, in which magnetic field gradients also extend over small spatial sections - about a few micrometers - change significantly.
  • the number required can depend on the total volume over which the magnetic field is to be determined. For example, for a larger volume, a higher number of volume elements correspondingly distributed over this larger volume is required than for a smaller volume in which the magnetic field is to be determined. The (sufficient) number of
  • Volume elements and, accordingly, at NV centers are defined in some variants using a grid.
  • a first step size can be defined along a first axis through the solid-state element, a second step size along a second axis and a third step size along a third axis, wherein the step sizes can be the same or different.
  • the step size for the first and second axes can be 50 nm and the step size for the third axis - for which a lower spatial resolution is required and / or the magnetic field changes to a lesser extent - can be 2 pm.
  • method step 480 the magnetic field is determined based on the light emitted in each case at the NV centers.
  • method step 448 is carried out in the case of variants in which a bias field is varied.
  • a magnetic field vector is determined by initially using the dependence of the emission light emitted at the respective focal point from the respective NV center on the electron spin resonance to apply a local magnetic field, in particular a local magnetic field
  • Bias magnetic field which is superimposed there with the local magnetic field, a respective magnetic field vector is determined.
  • the overall local magnetic field strength acting there decreases if the magnetic field to be examined and the bias magnetic field are destructively superimposed there - i.e. have opposite directions.
  • the magnetic field or its strength is determined based on the emission light and its dependence on the electron spin resonance. In some variants, the dependence on the electron spin resonance can also be the
  • Frequency of the microwave radiation can be varied.
  • the method 400 can be used for further objects to be examined or for further ones
  • the method 400 can also have one or more calibration steps in which a light emitted at respective volume elements is determined for the solid-state element or for a further solid-state element, one or more specific bias fields being generated and / or other magnetic fields
  • Light emitted initially can also be determined without excitation of NV centers in order to determine a background noise and possibly this background noise from a later detected light, which both components of
  • a light with a wavelength of at most 861 nm i.e. an excitation light with a wavelength of 730 nm
  • a laser diode is generated with a laser diode and as light from the Spatial area or from the respectively selected spatial section, in particular the emission light for a wavelength at least in the range between 875 nm and 890 nm, and a microwave radiation with a frequency in the range of 4.5 MHz is generated as microwave radiation.
  • a front lens of the objective consists of the solid-state element or has the solid-state element.
  • One advantage of the front lens made from the solid-state element can in particular be that no transitions are required between different materials in the front lens, which means that
  • Image quality can be increased.
  • the at least one NV center thus arranged in the front lens makes it possible to simplify an optical structure of the lens and thus its manufacture.
  • a lens of the objective is connected integrally and optically permeable to the solid-state element, whereby the image quality can in particular be increased.
  • the solid-state element comprises or consists of diamond.
  • the diamond has a nitrogen vacancy center as the at least one NV center.
  • One advantage of the nitrogen void center can in particular be that it has largely known properties and is therefore particularly well suited for magnetic field-dependent optical detection, especially in commercial use.
  • the solid-state element is or is a lens with the
  • Solid-state element shaped semispherically on a side facing the microscope with respect to the beam path, whereby in particular the light yield, ie in particular the yield of emission light from the at least one NV center, can be increased.
  • the objective has an optical element which is set up in the beam path to compensate for a spherical aberration due to the semispherically shaped lens or the semispherically shaped solid-state element.
  • Solid-state element or a semi-spherically shaped lens are those
  • the device has a microwave antenna arrangement - for example the objective, the device with the diamond plate or a slide for
  • the microwave antenna arrangement is configured
  • Diamond platelets are coated with a reflective coating which is reflective for a light for exciting the NV centers or for a light that the NV centers emit due to their excitation.
  • Diamond platelets coated with an anti-reflective coating for the light emitted are coated with an anti-reflective coating for the light emitted.
  • the objective is designed as a mirror objective.
  • the method for three-dimensional determination of a magnetic field further comprises: varying a bias magnetic field, which is superimposed on the magnetic field to be determined; detecting a variation of the light emitted in each case during scanning due to the varying bias field; as well as a
  • the magnetic field can advantageously be determined as a three-dimensional vector field.
  • a three-dimensional determination of magnetic fields in the process control can be determined via the three-dimensional determination of magnetic fields determine a product produced in a production process controlled by the process control below its surface, that is to say in the product itself and not just on the surface; If, for example, the material of the product is partially magnetic, magnetizable or electrically conductive, static magnetic fields and / or eddy currents can be detected and used for process control;
  • a method with confocal microscopy enables a particularly high spatial resolution, including a resolution into the depth of the product or material to be examined; In this way, a spatial resolution can be achieved which, for example in the case of a solid-state element comprising diamond, corresponds approximately to the distance between the solid-state element and the product
  • Magnetic field-dependent optical detection for biosensors or for the analysis of electronic circuits, whereby the fluorescence can advantageously be controlled via the magnetic field.
  • a high dynamic range and / or a high sensitivity of the fluorescence with respect to the magnetic field are also advantageous.
  • a sensitivity of approximately 10 9 to 10 12 Tesla / sqrt (Hz) with respect to a variation of the irradiated can be used for determining a magnetic field or a magnetic field strength

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Abstract

The aim of the invention is to improve devices and methods for magnetic field-dependent optical detection and to make their handling easier. For this purpose, an objective lens for a microscope has, in a beam path of the objective lens, a solid state element with at least one NV center. A microscope for confocal microscopy has a solid state element with a plurality of NV centers, the NV centers being scanned in a method for three-dimensionally determining a magnetic field.

Description

Beschreibung description
Vorrichtungen und Verfahren zur magnetfeldabhängigen optischen Detektion Devices and methods for magnetic field-dependent optical detection
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Bestimmung von Magnetfeldern sowie der The invention is in the field of the determination of magnetic fields as well as
magnetfeldabhängigen Optik und betrifft insbesondere ein Objektiv für ein Mikroskop, eine Vorrichtung mit einer Mikrowellenantennenanordnung, ein Mikroskop, eine Verwendung eines Mikroskops und ein Verfahren zur dreidimensionalen Bestimmung eines Magnetfelds. Magnetic field-dependent optics and relates in particular to an objective for a microscope, a device with a microwave antenna arrangement, a microscope, a use of a microscope and a method for three-dimensional determination of a magnetic field.
Mittels NV-Zentren - also etwa mittels Farbzentren, welche abhängig von einem beim jeweiligen Farbzentrum wirksamen Magnetfeld optisch anregbar sind und Emissionslicht emittieren - lassen sich Magnetfelder optisch bestimmen. Hierzu kann etwa ein Mikroskop umgerüstet werden, um solche Farbzentren optisch anzuregen und das von den Farbzentren emittierte Emissionslicht bildgebend zu detektieren. Außerdem können weitere Umrüstungen an dem Mikroskop oder Erweiterungen für einen Messaufbaus mit einem Mikroskop erforderlich sein, um die Farbzentren auf bestimmte Weise - etwa mittels Mikrowellenstrahlung - so zu beeinflussen, dass diese magnetfeldabhängig optisch angeregt werden können oder entsprechend Emissionslicht magnetfeldabhängig emittieren. Magnetic fields can be determined optically by means of NV centers - that is to say by means of color centers, for example, which can be optically excited depending on a magnetic field effective at the respective color center and which emit emission light. For this purpose, a microscope, for example, can be converted in order to optically excite such color centers and to detect the emission light emitted by the color centers in an imaging manner. In addition, further modifications to the microscope or extensions for a measurement setup with a microscope may be necessary in order to influence the color centers in a certain way - for example by means of microwave radiation - so that they can be optically excited depending on the magnetic field or emit emission light depending on the magnetic field.
Umgekehrt lässt sich eine Fluoreszenz oder Phosphoreszenz (oder allgemeiner Lumineszenz, fortan zusammenfassend kurz als„Fluoreszenz“ bezeichnet) von NV-Zentren - etwa bei Anwendungen wie der medizinischen Bildgebung oder Biosensorik, in welchen NV-Zentren als Fluoreszenzstoff eingesetzt werden können, oder bei der Quantenkryptographie oder für Quantencomputer-Systeme - abhängig vom dort wirksamen Magnetfeld und etwaigen weiteren Einflussgrößen steuern. So könnte etwa ein solches NV-Zentrum als Emitter in einer festkörper basierten Einzelphotonenquelle bei Raumtemperatur dienen. Conversely, fluorescence or phosphorescence (or more generally luminescence, henceforth briefly referred to as “fluorescence”) from NV centers - for example in applications such as medical imaging or biosensors, in which NV centers can be used as a fluorescent substance, or in the Quantum cryptography or for quantum computer systems - depending on the magnetic field effective there and any other influencing variables. For example, such an NV center could serve as an emitter in a solid-state-based single photon source at room temperature.
Neben Anwendungen im akademischen Umfeld sind solche NV-Zentren und Messaufbauten dafür etwa aufgrund der steuerbaren Fluoreszenz, einer hohen erzielbaren Empfindlichkeit und/oder eines großen erzielbaren Bereichs auch interessant für verschiedene kommerzielle Felder wie etwa zur Untersuchung von elektrischen Schaltkreisen oder für einen optisch integrierten Biosensor basierend auf einer optisch detektierten (Mikrowellen-) Resonanz eines NV-Zentrums. So wird etwa ein solcher optisch integrierter Biosensor in der Patentschrift US 8,193,808 B2 beschrieben. Es besteht Bedarf, Vorrichtungen und Verfahren zur magnetfeldabhängigen optischen In addition to applications in the academic environment, such NV centers and measurement setups are also interesting for various commercial fields such as the investigation of electrical circuits or for an optically integrated biosensor due to the controllable fluorescence, a high achievable sensitivity and / or a large achievable range on an optically detected (microwave) resonance of an NV center. For example, such an optically integrated biosensor is described in US Pat. No. 8,193,808 B2. There is a need, devices and methods for magnetic field-dependent optical
Detektion zu verbessern und/oder ein Aufbauen oder Umrüsten von entsprechenden To improve detection and / or a construction or conversion of appropriate
Vorrichtungen - wie etwa einem Mikroskop - zu erleichtern sowie insbesondere derartige Messaufbauten und Verfahren verlässlicher und effizienter zu machen. To facilitate devices - such as a microscope - and, in particular, to make such measurement setups and methods more reliable and efficient.
Die Erfindung erfüllt diesen Bedarf jeweils durch ein Objektiv für ein Mikroskop, durch eine Vorrichtung mit einer Mikrowellenantennenanordnung, durch ein Mikroskop, durch die The invention meets this need by an objective for a microscope, by a device with a microwave antenna arrangement, by a microscope, by the
Verwendung eines Mikroskops sowie durch ein Verfahren zur dreidimensionalen Bestimmung eines Magnetfelds jeweils gemäß der Lehre einer der Hauptansprüche. Vorteilhafte Use of a microscope and a method for three-dimensional determination of a magnetic field in accordance with the teaching of one of the main claims. Beneficial
Ausführungsformen, Weiterbildungen und Varianten der vorliegenden Erfindung sind insbesondere Gegenstand der Unteransprüche. Embodiments, developments and variants of the present invention are in particular the subject of the subclaims.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Objektiv für ein Mikroskop, wobei das Objektiv ein in einem Strahlengang des Objektivs anordenbares Festkörperelement mit wenigstens einem NV- Zentrum aufweist. A first aspect of the invention relates to an objective for a microscope, the objective having a solid-state element with at least one NV center which can be arranged in a beam path of the objective.
Im Sinne der Erfindung ist unter einem„NV-Zentrum“ zumindest ein Farbzentrum zu verstehen, wobei das Farbzentrum abhängig von einem dort wirksamen Magnetfeld mittels eines In the context of the invention, an “NV center” is to be understood as at least one color center, the color center being dependent on a magnetic field effective there by means of a
Anregungslichts optisch anregbar ist und Emissionslicht vom angeregten Farbzentrum emittierbar ist. Ein solches Farbzentrum kann ein Defekt in einer Matrixstruktur, insbesondere in einem (etwaig kristallinen) Festkörper sein. Auch kann eine Intensität des Emissionslichts abhängig von einer resonanten Mikrowellenabsorption sein, wobei die resonante Excitation light is optically excitable and emission light can be emitted from the excited color center. Such a color center can be a defect in a matrix structure, in particular in a (possibly crystalline) solid. An intensity of the emission light can also be dependent on a resonant microwave absorption, the resonant
Mikrowellenabsorption von dem Magnetfeld beim Farbzentrum abhängig ist. Auch kann ein solches NV-Zentrum ein Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum in einem Diamantgitter, etwa ein sogenanntes [NV]_ -Zentrum sein, welches Gegenstand aktueller Forschung ist. Bei einem solchen [NV]_ -Zentrum wird derzeit in einem Modell von einem Mehrelektronensystem ausgegangen, welches als ein 3-Niveau-System mit einem Triplett-Grundzustand und einem angeregten Triplett-Zustand sowie wenigstens einem energetisch zwischen dem Grundzustand und dem angeregten Zustand liegenden Zwischenzustand - insbesondere einem Singulett- Zustand - (oder etwa zwei Zwischenzustände gemäß Doherty, Marcus W.; Manson, Neil B.; Delaney, Paul; Jelezko, Fedor; Wrachtrup, Jörg; Hollenberg, Lloyd C. L. (2013-07-01). "The nitrogen-vacancy colour centre in diamond". Physics Reports. The nitrogen-vacancy colour centre in diamond. 528 (1): 1-45) beschrieben wird. Auch lässt sich bei einem solchen [NV]-- Zentrum eine Elektronenspinresonanz anregen zwischen mehreren energetisch Microwave absorption is dependent on the magnetic field at the color center. Such a NV center can also be a nitrogen vacancy center in a diamond lattice, for example a so-called [NV] _ center, which is the subject of current research. In such a [NV] _ center, a model is currently based on a multi-electron system, which is a 3-level system with a triplet ground state and an excited triplet state and at least one energetically between the ground state and the excited state Intermediate state - especially a singlet state - (or about two intermediate states according to Doherty, Marcus W .; Manson, Neil B .; Delaney, Paul; Jelezko, Fedor; Wrachtrup, Jörg; Hollenberg, Lloyd CL (2013-07-01). "The nitrogen-vacancy color center in diamond". Physics Reports. The nitrogen-vacancy color center in diamond. 528 (1): 1-45). With such a [NV] center, an electron spin resonance can also be energetically excited between several
unterschiedlichen Zuständen im Triplett-Grundzustand, welche sich aufgrund einer Spin- Wechselwirkung sowie eines etwaig beim NV-Zentrum wirkenden Magnetfelds energetisch unterscheiden. Zum Anregen der Elektronenspinresonanz lässt sich Mikrowellenstrahlung geeigneter Frequenz verwenden, sodass mittels einer Energie aus der Mikrowellenstrahlung das Elektronensystem von einem energetisch niedrigeren Zustand des Triplett-Grundzustands in einen energetisch höheren Zustand des Triplett-Grundzustands angehoben wird. Weiter kann ein solches NV-Zentrum ein Farbzentrum in einer Diamantmatrix sein, wie etwa ein ST1- oder „Stuttgart T‘-Farbzentrum. Auch kann die Matrixstruktur aus 4H-SiC hergestellt sein und etwa eine Festkörpermatrix, insbesondere ein Kristallgitter, aus 4H-SiC sein. Dabei kann eine solche Matrixstruktur aus 4H-SiC als NV-Zentrum ein Farbzentrum wie etwa eine sogenannte„VcVsi DiVacancy“ oder eine sogenannte„NV Nitrogene Vacancy“ oder eine sogenannte„hexagonal lattice site Silicon vacancy (VSi)“ (siehe etwa NATURE COMMUNICATIONS | (2019) 10:1954 | https://doi.org/10.1038/s41467-019-09873 | High-fidelity spin and optical control of single silicon-vacancy centres in Silicon Carbide), insbesondere im Kristallgitter, aufweisen. different states in the triplet ground state, which are due to a spin Differentiate energetically between interaction and any magnetic field acting at the NV center. Microwave radiation of a suitable frequency can be used to excite the electron spin resonance, so that the electron system is raised from an energetically lower state of the triplet ground state to an energetically higher state of the triplet ground state by means of energy from the microwave radiation. Furthermore, such an NV center can be a color center in a diamond matrix, such as an ST1 or “Stuttgart T” color center. The matrix structure can also be made from 4H-SiC and, for example, a solid-state matrix, in particular a crystal lattice, made from 4H-SiC. Such a matrix structure made of 4H-SiC can be a color center such as a so-called "VcVsi DiVacancy" or a so-called "NV Nitrogene Vacancy" or a so-called "hexagonal lattice site Silicon vacancy (VSi)" (see for example NATURE COMMUNICATIONS | (2019) 10: 1954 | https://doi.org/10.1038/s41467-019-09873 | High-fidelity spin and optical control of single silicon-vacancy centers in Silicon Carbide), especially in the crystal lattice.
Ein Vorteil des Anordnens des Festkörperelements mit wenigstens einem NV-Zentrum kann insbesondere darin liegen, dass eine magnetfeldabhängige Emission des NV-Zentrums über das Objektiv mit einem Mikroskop detektiert werden kann. Dabei lässt sich ein handelsübliches Mikroskop mit einem solchen Objektiv - welches etwa für das jeweilige Mikroskop One advantage of arranging the solid-state element with at least one NV center can in particular be that a magnetic field-dependent emission from the NV center can be detected via the objective using a microscope. A commercially available microscope can be fitted with such an objective - for example for the respective microscope
entsprechende Gewinde o.ä. zur Befestigung aufweist - ausrüsten, ohne dass zusätzlich ein Festkörperelement mit NV-Zentren erforderlich ist. Auch kann das Festkörperelement mit dem Objektiv starr oder beweglich derart verbunden sein, dass in einer Verbindungsposition zur Erfassung des wenigstens einen NV-Zentrums das NV-Zentrum im Strahlengang des Objektivs, insbesondere in einem Bildbereich relativ zum übrigen Objektiv fest angeordnet ist, womit sich das NV-Zentrum einer bestimmten Position im Bildbereich zuordnen lässt. Auch kann mit einem hierfür eingerichteten Mikroskop ein abzubildendes Objekt relativ zum Objektiv verschoben werden, sodass verschiedene Bereiche des Objekts im Bildbereich abgebildet werden, wobei sich entsprechend auch die Position des NV-Zentrums relativ zum Objekt bewegt und somit das NV-Zentrum an verschiedenen, anhand des jeweils abgebildeten Bereichs zuordenbaren Positionen beim Objekt angeordnet werden kann. has appropriate threads or similar for fastening - equip it without the need for an additional solid-state element with NV centers. The solid-state element can also be rigidly or movably connected to the objective in such a way that, in a connection position for detecting the at least one NV center, the NV center is fixedly arranged in the beam path of the objective, in particular in an image area relative to the rest of the objective NV center can be assigned to a specific position in the image area. A microscope set up for this purpose can also be used to shift an object to be imaged relative to the objective so that different areas of the object are imaged in the image area, with the position of the NV center moving relative to the object and thus the NV center at different levels of the respective mapped area can be arranged on the object.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer A second aspect of the invention relates to a device with a
Mikrowellenantennenanordnung. Dabei weist die Vorrichtung ein Diamantplättchen mit wenigstens einem NV-Zentrum auf. Alternativ ist die Vorrichtung ein Objektiv für ein Mikroskop, insbesondere gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Weiter alternativ ist die Vorrichtung ein Objektträger für ein Mikroskop. Die möglichen Vorteile, Ausführungsformen oder Varianten des ersten Aspekts der Erfindung gelten entsprechend auch für die Vorrichtung mit einer Mikrowellenantennenanordnung. Die Vorrichtung mit Diamantplättchen, das Objektiv sowie Objektträger lassen sich zur Microwave antenna assembly. The device has a diamond plate with at least one NV center. Alternatively, the device is an objective for a microscope, in particular according to the first aspect of the invention. As a further alternative, the device is a slide for a microscope. The possible advantages, embodiments or variants of the first aspect of the invention also apply accordingly to the device with a microwave antenna arrangement. The device with diamond plate, the objective and microscope slide can be used for
magnetfeldabhängigen optischen Detektion einsetzen, wobei - in einigen Ausführungsformen - mittels der Mikrowellenantennenanordnung energetische Zustände des wenigstens einen NV- Zentrums im Grundzustand oder im (optisch) angeregten Zustand, welche sich aufgrund des dort wirksamen Magnetfelds energetisch unterscheiden, angeregt werden können. Ein Vorteil des Aufweisens der Mikrowellenantennenanordnung kann insbesondere darin liegen, dass die Anzahl der verschiedenen Teile zum Umrüsten eines (handelsüblichen) Mikroskops für eine magnetfeldabhängige optische Detektion reduziert und somit die Handhabung vereinfacht wird. Dabei können bei einigen Varianten von einem solchen Objektiv sowohl mit Use magnetic field-dependent optical detection, whereby - in some embodiments - energetic states of the at least one NV center in the basic state or in the (optically) excited state, which differ in energy due to the magnetic field effective there, can be excited by means of the microwave antenna arrangement. One advantage of having the microwave antenna arrangement can in particular be that the number of different parts for converting a (commercially available) microscope for magnetic field-dependent optical detection is reduced and handling is thus simplified. With some variants of such a lens, both with
Festkörperelementen mit NV-Zentrum als auch mit Mikrowellenantennenanordnung beide synergistisch Zusammenwirken und die Handhabung weiter vereinfachen. Auch lassen sich das wenigstens eine NV-Zentrum und die Mikrowellenantennenanordnung - also etwa Frequenzen und räumliche Feldverläufe von mittels der Mikrowellenantennenanordnung erzielbarer elektrische Felder - aneinander anpassen, wodurch eine weitere Vereinfachung der Solid-state elements with an NV center as well as with a microwave antenna arrangement both interact synergistically and further simplify handling. The at least one NV center and the microwave antenna arrangement - that is to say, for example, frequencies and spatial field profiles of electric fields that can be achieved by means of the microwave antenna arrangement - can also be adapted to one another, thereby further simplifying the
Handhabung und/oder eine erhöhte Verlässlichkeit und/oder Effizienz ermöglicht werden. Handling and / or increased reliability and / or efficiency are made possible.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Mikroskop, welches für 2-Pi oder 4-Pi Mikroskopie eingerichtet ist und in einem Fokalpunkt ein Festkörperelement mit wenigstens einem NV- Zentrum aufweist. A third aspect of the invention relates to a microscope which is set up for 2-pi or 4-pi microscopy and has a solid-state element with at least one NV center in a focal point.
Die möglichen Vorteile, Ausführungsformen oder Varianten der vorhergehenden Aspekte der Erfindung gelten entsprechend auch für das Mikroskop für 2-Pi oder 4-Pi Mikroskopie mit dem wenigstens einen NV-Zentrum. Wenn das wenigstens eine NV-Zentrum im Fokalpunkt angeordnet ist, lässt sich vorteilhaft die Empfindlichkeit - also insbesondere die Lichtausbeute bezüglich des Emissionslichts des NV-Zentrums - und somit die Effizienz erhöhen. Auch lässt sich bei mehreren NV-Zentren im Festkörperelement die räumliche Auflösung verbessern.The possible advantages, embodiments or variants of the preceding aspects of the invention also apply accordingly to the microscope for 2-pi or 4-pi microscopy with the at least one NV center. If the at least one NV center is arranged in the focal point, the sensitivity - that is to say in particular the light yield with respect to the emission light of the NV center - and thus the efficiency can advantageously be increased. The spatial resolution can also be improved if there are several NV centers in the solid element.
Dabei weist das Mikroskop in einigen Varianten als das Festkörperelement ein In some variants, the microscope has one as the solid-state element
Diamantplättchen mit einem oder mit mehreren NV-Zentren auf. Diamond platelets with one or more NV centers.
Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft eine Verwendung eines Mikroskops zur bildgebenden Bestimmung eines Magnetfelds basierend auf einer optischen Detektion einer A fourth aspect of the invention relates to a use of a microscope for the imaging determination of a magnetic field based on an optical detection of a
Elektronenspinresonanz bei wenigstens einem NV-Zentrum. Dabei ist das Mikroskop gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung ausgebildet oder dabei weist das Mikroskop ein Objektiv gemäß dem ersten oder eine Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung auf. Die möglichen Vorteile, Ausführungsformen oder Varianten der vorhergehenden Aspekte der Erfindung gelten entsprechend auch für die Verwendung des Mikroskops. Ein Vorteil der Bestimmung eines Magnetfelds mittels NV-Zentren bzw. des wenigstens einen NV-Zentrums und dem Mikroskop kann insbesondere darin liegen, dass eine bildgebende Bestimmung mit einer - entsprechend eine solchen Mikroskops - hohen optischen Auflösung - etwa gegenüber Verfahren zur Bestimmung von Magnetfelder mittels Spulen - sowie bei mehreren NV-Zentren eine gleichzeitige Erfassung des Magnetfelds an mehreren Positionen (entsprechend der Anzahl sowie Position der jeweiligen NV-Zentren, insbesondere also eine gleichzeitige Electron spin resonance at at least one NV center. The microscope is designed according to the third aspect of the invention or the microscope has an objective according to the first or a device according to the second aspect of the invention. The possible advantages, embodiments or variants of the preceding aspects of the invention also apply accordingly to the use of the microscope. An advantage of determining a magnetic field by means of NV centers or the at least one NV center and the microscope can in particular be that an imaging determination with a - corresponding to such a microscope - high optical resolution - for example compared to methods for determining magnetic fields by means of Coils - as well as, in the case of several NV centers, simultaneous detection of the magnetic field at several positions (according to the number and position of the respective NV centers, in particular a simultaneous one
Bildgebung für diese mehrere Positionen) und/oder eine hohen Sensitivität und/oder ein großer dynamischer Bereich ermöglicht werden kann. Imaging for these multiple positions) and / or a high sensitivity and / or a large dynamic range can be made possible.
Ein fünfter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur dreidimensionalen Bestimmung eines Magnetfelds. Das Verfahren weist ein Anordnen eines Festkörperelements mit einer Vielzahl an NV-Zentren in dem zu bestimmenden Magnetfeld auf. Das Verfahren weist weiterhin ein dreidimensionales Abrastern des Festkörperelements mittels eines Konfokalmikroskops auf, wobei beim Abrastern jeweils ein NV-Zentrum oder mehrere NV-Zentren der Vielzahl an NV- Zentren bei einem jeweiligen Fokalpunkt angeregt wird/werden, Mikrowellenstrahlung für eine Elektronenspinresonanz bei den jeweiligen NV-Zentren ausgestrahlt wird und von beim jeweiligen Fokalpunkt durch die NV-Zentren in Abhängigkeit von der Elektronenspinresonanz emittiertes Licht erfasst wird. Schließlich weist das Verfahren ein Erfassen von beim jeweiligen Fokalpunkt durch die NV-Zentren emittiertem Licht in Abhängigkeit von der A fifth aspect of the invention relates to a method for three-dimensional determination of a magnetic field. The method comprises arranging a solid-state element with a plurality of NV centers in the magnetic field to be determined. The method also includes three-dimensional scanning of the solid-state element by means of a confocal microscope, with one NV center or several NV centers of the plurality of NV centers being excited at a respective focal point during scanning, microwave radiation for an electron spin resonance at the respective NV Centers is emitted and is detected by light emitted at the respective focal point by the NV centers as a function of the electron spin resonance. Finally, the method includes detecting light emitted by the NV centers at the respective focal point as a function of the
Elektronenspinresonanz auf. Electron spin resonance.
Die möglichen Vorteile, Ausführungsformen oder Varianten der vorhergehenden Aspekte der Erfindung gelten entsprechend auch für das Verfahren zur dreidimensionalen Bestimmung eines Magnetfelds. The possible advantages, embodiments or variants of the preceding aspects of the invention also apply accordingly to the method for three-dimensional determination of a magnetic field.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der Further advantages, features and possible applications result from the
nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen und/oder aus den Figuren. following detailed description of exemplary embodiments and / or from the figures.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren anhand vorteilhafter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Gleiche Elemente oder Bauteile der The invention is explained in more detail below with reference to the figures on the basis of advantageous exemplary embodiments. Identical elements or components of the
Ausführungsbeispiele werden im Wesentlichen durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet, falls dies nicht anders beschrieben wird oder sich nicht anders aus dem Kontext ergibt. Hierzu zeigen, teilweise schematisiert: Exemplary embodiments are essentially identified by the same reference symbols, unless otherwise described or if nothing else results from the context. To this end show, partly schematically:
Fig. 1 ein Modell eines [NV]- -Zentrums; 1 shows a model of a [NV] - center;
Fig. 2 ein Energiediagramm für ein NV-Zentrum; 2 shows an energy diagram for an NV center;
Fig. 3 ein Objektiv aufweisend ein bewegbares Festkörperelement mit einem NV- Zentrum nach einer Ausführungsform; 3 shows an objective having a movable solid-state element with an NV center according to one embodiment;
Fig. 4 ein weiteres Objektiv nach einer Ausführungsform; 4 shows a further objective according to an embodiment;
Fig. 5 eine Vorrichtung mit einem Diamantplättchen und einer Fig. 5 shows a device with a diamond plate and a
Mikrowellenantennenanordnung sowie mehreren NV-Zentren im Diamantplättchen nach einer Ausführungsform; Microwave antenna arrangement and several NV centers in the diamond plate according to one embodiment;
Fig. 6 ein Mikroskop für 2-Pi-Mikroskopie nach einer Ausführungsform; 6 shows a microscope for 2-pi microscopy according to an embodiment;
Fig. 7 ein weiteres Objektiv nach einer Ausführungsform; 7 shows a further objective according to an embodiment;
Fig. 8 eine Verwendung eines Mikroskops zur bildgebenden Bestimmung eines 8 shows a use of a microscope for the imaging determination of a
Magnetfelds nach einer Ausführungsform; Magnetic field according to one embodiment;
Fig. 9 einen Messaufbau zur dreidimensionalen Bestimmung eines Magnetfelds mittels eines konfokalen Mikroskops und einer Vielzahl an NV-Zentren nach einer 9 shows a measurement setup for three-dimensional determination of a magnetic field by means of a confocal microscope and a plurality of NV centers after a
Ausführungsform; und Embodiment; and
Fig. 10 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur dreidimensionalen Bestimmung eines Magnetfelds nach einer Ausführungsform. 10 shows a flow diagram of a method for three-dimensional determination of a magnetic field according to an embodiment.
Die Figuren sind schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsformen und/oder Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. In den Figuren dargestellte Elemente und/oder Bauteile sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen, in den Figuren dargestellten Elemente und/oder Bauteile derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und/oder ihr Zweck dem Fachmann verständlich werden. In den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen den funktionellen The figures are schematic representations of various embodiments and / or exemplary embodiments of the present invention. Elements and / or components shown in the figures are not necessarily shown true to scale. Rather, the various elements and / or components shown in the figures are reproduced in such a way that their function and / or their purpose can be understood by a person skilled in the art. Connections and couplings shown in the figures between the functional
Einheiten und Elementen können auch als indirekte Verbindungen oder Kopplungen Units and elements can also be called indirect connections or couplings
implementiert werden. Insbesondere können Datenverbindungen drahtgebunden oder drahtlos, also insbesondere als Funkverbindungen, ausgebildet sein. Auch können bestimmte implemented. In particular, data connections can be wired or wireless, that is to say in particular as radio connections. Certain
Verbindungen, etwa elektrische Verbindungen, etwa zur Energieversorgung, der Connections, such as electrical connections, for example for energy supply, the
Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sein. Weiterhin können optische Verbindungen - etwa zwischen optischen Elementen -, welche insbesondere als gerader Lichtstrahl dargestellt werden können, auch in einigen Varianten mittels einem Lichtleiter und/oder durch optische Elemente, wie Spiegel, zum Umlenken von Lichtstrahlen implementiert werden, wobei solche Verbindungen der Übersichtlichkeit halber nicht notwendigerweise dargestellt sind. Not be shown for the sake of clarity. Furthermore, optical connections - for example between optical elements - which can be represented in particular as a straight light beam, can also be implemented in some variants by means of a light guide and / or optical elements such as mirrors for deflecting light beams, such connections for the sake of clarity are not necessarily shown.
Fig. 1 veranschaulicht eine Atomstruktur eines NV-Zentrums wie etwa ein Stickstoff-Fehlstellen Zentrums schematisch mit einem Kugel-Stab-Modell eines [NV]- -Zentrums (140) ohne umliegenden Diamantgitter. Dabei sind drei Kohlenstoffatome 146 an drei Plätzen des 1 schematically illustrates an atomic structure of an NV center such as a nitrogen vacancy center with a ball-and-stick model of a [NV] - center (140) without a surrounding diamond lattice. There are three carbon atoms 146 in three places of the
Diamantgitters angeordnet, während bei einem zu diesen drei Kohlenstoffatomen 146 Diamond lattice, while one of these three carbon atoms 146
(unmittelbar/Nächster-Nachbar) benachbarten Gitterplatz eine Fehlstelle 144 (Vakanz: V) besteht - dieser Gitterplatz also nicht besetzt ist - sowie bei einem dazu (unmittelbar/Nächster- Nachbar) benachbarten Gitterplatz anstelle eines Kohlenstoffatoms ein Stickstoffatom 142 (Stickstoff: N) angeordnet ist. Zudem sind in Fig. 1 ein Vektor für ein externes Magnetfeld 80 sowie eine Achse des NV-Zentrums 148 - bezüglich derer ein Spin eines (immediate / nearest neighbor) adjacent lattice site there is a defect 144 (vacancy: V) - this lattice site is therefore not occupied - as well as a nitrogen atom 142 (nitrogen: N) instead of a carbon atom in a lattice site adjacent to it (immediate / nearest neighbor) is arranged. In addition, FIG. 1 shows a vector for an external magnetic field 80 and an axis of the NV center 148 - with respect to which a spin is
Mehrelektronensystems des NV-Zentrums definiert wird - dargestellt. Dabei versteht es sich, dass neben dem externen Magnetfeld 80 auch ein Magnetfeld aufgrund der magnetischen Momente der Atomkerne auf Elektronen des Mehrelektronensystems wirksam ist bzw. diese magnetischen Felder sich überlagern, wobei - sofern nicht gesondert auf diese zusätzliche magnetischen Momente verwiesen wird - im Sinne der Erfindung unter dem„dort wirksamen Magnetfeld“ jenes Magnetfeld zu verstehen ist, welches dort, also beim jeweiligen NV-Zentrums aufgrund des externen Magnetfelds auftritt. Multi-electron system of the NV center is defined - shown. It goes without saying that, in addition to the external magnetic field 80, a magnetic field due to the magnetic moments of the atomic nuclei is also effective on electrons of the multi-electron system or these magnetic fields are superimposed, with - unless reference is made separately to these additional magnetic moments - in the sense of According to the invention, the “magnetic field effective there” is to be understood as the magnetic field which occurs there, i.e. at the respective NV center, due to the external magnetic field.
In Fig. 2 ist ein Energiediagramm 40 für ein NV-Zentrum wie etwa einem [NV]--Zentrum nach einer derzeitigen Modellierung (vgl. etwa Rogers, L. J.; Armstrong, S.; Sellars, M. J.; Manson,2 shows an energy diagram 40 for an NV center such as a [NV] center according to current modeling (cf., for example, Rogers, L. J .; Armstrong, S .; Sellars, M. J .; Manson,
N. B. (2008). "Infrared emission of the NV centre in diamond: Zeeman and uniaxial stress studies". New Journal of Physics. 10 (10): 103024.) (vgl. etwa Doherty, Marcus W.; Manson,N. B. (2008). "Infrared emission of the NV center in diamond: Zeeman and uniaxial stress studies". New Journal of Physics. 10 (10): 103024.) (cf. e.g. Doherty, Marcus W .; Manson,
Neil B.; Delaney, Paul; Jelezko, Fedor; Wrachtrup, Jörg; Hollenberg, Lloyd C. L. (2013-07-01). "The nitrogen-vacancy colour centre in diamond". Physics Reports. The nitrogen-vacancy colour centre in diamond. 528 (1): 1-45.) dargestellt. Das Mehrelektronensystem des NV-Zentrums weist einen Triplett-Grundzustand |g>, einen angeregten Triplett-Zustand |e> sowie zwei Zwischenzustände |ze> und |zg>, die energetisch zwischen dem Grundzustand |g> und dem angeregten Zustand |e> liegen, auf. Zwei der Elektronen des Mehrelektronensystems können im Triplett-Grundzustand bezüglich ihres Spins parallel oder antiparallel ausgerichtet sein, sodass das Mehrelektronensystem einen Spin +1 (ms=+1) oder -1 (ms=-1) bzw. einen Spin 0 (ms=0) aufweist. Aufgrund ihrer Spin-Wechselwirkung haben die Elektronen bei Spin +1 und -1 höheres Energieniveau als bei antiparalleler Ausrichtung mit Spin 0. Zudem - in Fig. 2 nicht dargestellt - können sich die Energieniveaus für ms=+1 und ms=-1 voneinander etwa aufgrund einer Wechselwirkung mit den magnetischen Momenten der Atomkerne unterscheiden (vgl. Hyperfeinstruktur), wobei diese Aufspaltung, also ein Unterschied zwischen den Energieniveaus für ms=+1 und ms=-1 üblicherweise wesentlich kleiner ist als ein Energieunterschied zwischen die Energieniveaus für ms=+1 / ms=-1 gegenüber dem Energieniveau für ms=0. Neil B .; Delaney, Paul; Jeletsko, Fedor; Wrachtrup, Jörg; Hollenberg, Lloyd CL (2013-07-01). "The nitrogen-vacancy color center in diamond". Physics Reports. The nitrogen-vacancy color center in diamond. 528 (1): 1-45.). The multi-electron system of the NV center has a triplet ground state | g>, an excited triplet state | e> and two Intermediate states | ze> and | zg>, which energetically lie between the ground state | g> and the excited state | e>. Two of the electrons of the multi-electron system can be aligned parallel or antiparallel with regard to their spin in the triplet ground state, so that the multi-electron system has a spin +1 (m s = +1) or -1 (m s = -1) or a spin 0 (m s = 0). Due to their spin interaction, the electrons have a higher energy level with spin +1 and -1 than with an anti-parallel alignment with spin 0. In addition - not shown in FIG. 2 - the energy levels for m s = + 1 and m s = -1 differ from each other due to an interaction with the magnetic moments of the atomic nuclei (cf. hyperfine structure), whereby this split, i.e. a difference between the energy levels for m s = + 1 and m s = -1, is usually much smaller than an energy difference between the energy levels for m s = + 1 / m s = -1 compared to the energy level for m s = 0.
Ausgehend von Fig. 2 lässt sich eine optische Detektion eines Magnetfelds - oder allgemeiner eine magnetfeldabhängige optische Detektion - basierend auf einem NV-Zentrum Proceeding from FIG. 2, an optical detection of a magnetic field - or more generally a magnetic field-dependent optical detection - based on an NV center can be carried out
entsprechend Fig. 1 und/oder bzgl. Energieniveaus entsprechend Fig. 2 wie folgt corresponding to FIG. 1 and / or with regard to energy levels corresponding to FIG. 2 as follows
veranschaulichen. Mittels Anregungslicht 46 mit ausreichender Energie je Photon, also etwa einem grünen Laser mit einer Wellenlänge kleiner als etwa 532 nm - wie etwa wie dargestellt mit einer Wellenlänge von 515 nm - lässt sich das [NV]- -Zentrum vom Grundzustand |g> (zunächst etwaig in vibronische Bänder und dann von dort aus) in den angeregten Zustand |e> optisch anregen, wobei der Spin des Mehrelektronensystems erhalten bleibt, also etwa bei Anregung des Grundzustands |g> mit ms=+1 entsprechend als angeregter Zustand |e> mit ms=+1 erreicht wird. Daraufhin kann das NV-Zentrum unter Emission eines Photons, also Emissionslicht 56 und somit Fluoreszenz, wieder zum entsprechenden Zustand des Triplett- Grundzustands - also etwa vom angeregten Zustand |e> mit ms=+1 zum Grundzustand |g> mit ms=+1 - gelangen; so kann etwa bei einem [NV]_-Zentrum ein Photon mit 637 nm, also etwa rotes Emissionslicht emittiert werden. Dieser Übergang wird auch strahlender Übergang oder optischer Übergang genannt, wobei üblicherweise das hierbei emittierte (Emission- /Fluoreszenz-) Licht optisch detektiert wird. illustrate. By means of excitation light 46 with sufficient energy per photon, i.e. a green laser with a wavelength less than about 532 nm - such as, as shown, with a wavelength of 515 nm - the [NV] - center can be reduced from the ground state | g> (initially possibly into vibronic bands and then from there) into the excited state | e>, whereby the spin of the multi-electron system is retained, i.e. when the ground state | g> is excited with m s = + 1, correspondingly as an excited state | e> with m s = +1 is reached. The NV center can then, with the emission of a photon, i.e. emission light 56 and thus fluorescence, return to the corresponding state of the triplet ground state - i.e. from the excited state | e> with m s = + 1 to the ground state | g> with m s = +1 - get; at a [NV] _ center, for example, a photon with 637 nm, i.e. red emission light, can be emitted. This transition is also called a radiating transition or optical transition, with the (emission / fluorescence) light emitted here usually being detected optically.
Neben diesem strahlenden Übergang ist auch ein weiterer Übergang über die In addition to this radiant transition there is also another transition over the
Zwischenzustände |ze> und |zg> möglich, wobei etwa beim Übergang von |zg> zu |ze> ein Photon mit einer größeren Wellenlänge, also etwa bei einem [NV]_-Zentrum ein Photon mit 1042 nm emittiert wird. Bei anderen Modellen wird von nur einem Zwischenzustand Intermediate states | ze> and | zg> possible, with a photon with a longer wavelength being emitted at the transition from | zg> to | ze>, i.e. a photon with 1042 nm at a [NV] _ center. In other models there is only one intermediate state
ausgegangen, sodass kein entsprechendes Photon emittiert wird. Bei diesen Übergängen findet also keine Emission von Photonen oder zumindest eine Emission 58 von Photonen mit einer anderen, insbesondere mit einer größeren Wellenlänge statt, und diese Übergänge werden auch nicht-strahlende Übergänge genannt. Bei diesen nicht-Strahlenübergängen bleibt der Spin des Mehrelektronensystems nicht notwendigerweise erhalten, wobei die Rate bzw. die assumed that no corresponding photon is emitted. In the case of these transitions, there is therefore no emission of photons or at least one emission 58 of photons with a different, in particular with a greater wavelength, and these transitions occur also called non-radiating transitions. In the case of these non-ray transitions, the spin of the multi-electron system is not necessarily retained, with the rate or the
Wahrscheinlichkeit für einen Übergang von einem angeregten Zustand mit ms=+1 oder ms=-1 des angeregten Triplett-Zustands |e> zum Zustand mit ms=0 des Triplett-Grundzustands größer ist als die Rate bzw. die Wahrscheinlichkeit für einen Übergang vom angeregten Zustand |e> mit ms=0 zu einem der Grundzustände mit ms=+1 , 0 oder -1. Der weitere Übergang über die Zwischenzustände |ze> und |zg> konkurriert mit dem strahlenden Übergang. Somit emittiert ein NV-Zentrum, wenn es einen Spin ms=0 aufweist, mehr Emissionslicht als bei einem Spin ms=+1 oder ms=-1 , da bei ms=+1 oder ms=-1 ein Übergang über die Zwischenzustände The probability of a transition from an excited state with m s = + 1 or m s = -1 of the excited triplet state | e> to the state with m s = 0 of the triplet ground state is greater than the rate or the probability for one Transition from the excited state | e> with m s = 0 to one of the ground states with m s = + 1, 0 or -1. The further transition via the intermediate states | ze> and | zg> competes with the radiant transition. Thus, if an NV center has a spin m s = 0, it emits more emission light than with a spin m s = + 1 or m s = -1, since there is a transition at m s = + 1 or m s = -1 about the intermediate states
(verhältnismäßig) häufiger stattfindet. Außerdem lässt sich bei einem NV-Zentrum durch wiederholtes Anregen die Besetzungswahrscheinlichkeit für den Grundzustand und/oder für den angeregten Zustand mit ms=0 erhöhen, da über den weiteren Übergang wahrscheinlicher der Grundzustand |g> mit ms=0 (und dann nach etwaig erneuter Anregung der angeregte Zustand |e> mit ms=0) erreicht wird - dies wird auch Spinpolarisation genannt. takes place (relatively) more frequently. In addition, in the case of an NV center, repeated excitation can increase the population probability for the ground state and / or for the excited state with m s = 0, since over the further transition the ground state | g> with m s = 0 (and then after possibly renewed excitation the excited state | e> with m s = 0) is reached - this is also called spin polarization.
Durch bestimmte Maßnahmen - wie etwa Strahlung mit einer bestimmten Energie Through certain measures - such as radiation with a certain energy
(insbesondere je Strahlungsquantum), welche einem Energieunterschied zwischen |g> mit ms=0 und |g> mit ms=±1 entspricht bzw. einem Energieunterschied zwischen |e> mit ms=0 und |e> mit ms=±1 entspricht - lässt sich die Besetzungswahrscheinlichkeit für den Grundzustand und/oder den angeregten Zustand mit ms=+1 oder -1 bei einem NV-Zentrum erhöhen. Bei einem [NV]-- Zentrum (ohne externes Magnetfeld) kann mittels Mikrowellenstrahlung 48 mit einer Frequenz von etwa 2870 MHz ein Übergang vom Grundzustand |g> mit ms=0 zu einem der (in particular per radiation quantum), which corresponds to an energy difference between | g> with m s = 0 and | g> with m s = ± 1 or an energy difference between | e> with m s = 0 and | e> with m s = ± 1 corresponds to - the occupation probability for the ground state and / or the excited state can be increased with m s = + 1 or -1 for an NV center. In the case of an [NV] center (without an external magnetic field), a transition from the ground state | g> with m s = 0 to one of the
Grundzustände mit ms=±1 resonant angeregt werden, also eine Elektronenspinresonanz erzielt werden - d.h. im Sinne der Erfindung insbesondere eine resonante Absorption der Ground states are excited resonantly with m s = ± 1, so an electron spin resonance can be achieved - that is, in the context of the invention, in particular a resonant absorption of the
(Mikrowellen-) Strahlung durch das NV-Zentrum unter Übergang von |g> mit ms=0 zu |g> mit ms=+1 oder -1. 1m weiteren Sinne kann unter einer Elektronenspinresonanz auch ein solches Anregen unter Variation des (externen) Magnetfelds und ein Messen der (Microwave) radiation through the NV center with transition from | g> with m s = 0 to | g> with m s = + 1 or -1. In a broader sense, electron spin resonance can also include such an excitation while varying the (external) magnetic field and measuring the
magnetfeldabhängigen Absorption der Mikrowellenstrahlung verstanden werden (vgl. etwa https://de.wikipedia.org/wiki/Elektronenspinresonanz ). Durch Anlegen eines externen Magnetic field-dependent absorption of microwave radiation can be understood (see e.g. https://de.wikipedia.org/wiki/Elektronenspinresonanz). By creating an external
Magnetfelds verschieben sich die Energieniveaus des Grundzustands mit ms=+1 und des Grundzustands mit ms=-1 (entsprechendes gilt für die Zustände des angeregten Magnetic field shifts the energy levels of the ground state with m s = + 1 and the ground state with m s = -1 (the same applies to the states of the excited
Triplettzustands |e> mit ms=±1). Somit wird für den Übergang von |g> mit ms=0 zu |g> mit ms=-1 eine andere Frequenz der Mikrowellenstrahlung benötigt als für den Übergang von |g> mit ms=0 zu |g> mit ms=+1. Bei Bestrahlung eines [NV]- -Zentrums (zunächst ohne externes Magnetfeld) mit Mikrowellenstrahlung mit einer Frequenz von etwa 2870 MHz wird also die Wahrscheinlichkeit für die Zustände mit ms=±1 erhöht, wodurch die Fluoreszenz, also das emittierte Emissionslicht abnimmt. Durch ein externes Magnetfeld, welches am NV-Zentrum wirkt, wird die für die Elektronenspinresonanz erforderliche Frequenz verschoben, wodurch die Wahrscheinlichkeit für die Zustände mit ms=±1 weniger oder nicht mehr erhöht wird und somit die Fluoreszenz nicht abnimmt bzw. wieder zunimmt. Triplet state | e> with m s = ± 1). Thus, for the transition from | g> with m s = 0 to | g> with m s = -1, a different frequency of the microwave radiation is required than for the transition from | g> with m s = 0 to | g> with m s = + 1. When a [NV] - center is irradiated (initially without an external magnetic field) with microwave radiation with a frequency of around 2870 MHz, the probability for the states with m s = ± 1 is increased, which means that the fluorescence, i.e. the emitted emission light, decreases. The frequency required for the electron spin resonance is shifted by an external magnetic field, which acts at the NV center, whereby the probability for the states with m s = ± 1 is less or not increased and thus the fluorescence does not decrease or increase again.
Die Änderung der Fluoreszenz ist beim NV-Zentrum also abhängig von der bestimmten The change in fluorescence at the NV center is therefore dependent on the particular one
Maßnahme zur Erhöhung der Besetzungswahrscheinlichkeit für Zustände mit ms=±1 - also etwa der Frequenz der eingestrahlten Mikrowellenstrahlung - sowie von dem beim NV-Zentrum wirksamen (externen) Magnetfeld. Somit lässt sich basierend auf einer Änderung der Measure to increase the probability of occupation for states with m s = ± 1 - i.e. roughly the frequency of the incident microwave radiation - as well as the (external) magnetic field effective at the NV center. Thus, based on a change in the
Fluoreszenz bzw. des emittierten Emissionslichts ein beim NV-Zentrum wirksames (externes) Magnetfeld bestimmen. Für die Bestimmung des Magnetfelds sind auch weitere Varianten basierend auf dem NV-Zentrum möglich wie etwa eine Variation der Frequenz der Fluorescence or the emitted emission light determine an effective (external) magnetic field at the NV center. Other variants based on the NV center are also possible for determining the magnetic field, such as a variation of the frequency of the
Mikrowellenstrahlung, sodass die Fluoreszenz gleich bleibt, wobei das externe Magnetfeld basierend auf der jeweiligen Variation bestimmt wird. Ferner kann abhängig vom jeweils gewählten Verfahren eine Kalibrierung erforderlich sein, um eine Orientierung der Achse 148 des NV-Zentrums und/oder eines aufgrund der magnetischen Momente des NV-Zentrums (etwa von den Atomkernen des NV-Zentrums) wirkenden Magnetfelds, welches sich mit dem externen Magnetfeld überlagert, auszugleichen. Microwave radiation, so that the fluorescence remains the same, the external magnetic field being determined based on the respective variation. In addition, depending on the method selected, a calibration may be required in order to orient the axis 148 of the NV center and / or a magnetic field that acts on the basis of the magnetic moments of the NV center (for example from the atomic nuclei of the NV center) and which interacts with the superimposed on the external magnetic field.
Umgekehrt lässt sich die Fluoreszenz mittels Anlegen eines Magnetfeldes und/oder mittels weiterer Einflussgrößen, welche die Besetzungswahrscheinlichkeit für Zustände mit ms=±1 verändern - wie etwa Mikrowellenstrahlung geeigneter Frequenz -, steuern, wodurch vorteilhaft Verwendungen von Materialien wie Partikeln mit NV-Zentren als (extern) steuerbare Conversely, the fluorescence can be controlled by applying a magnetic field and / or by means of other influencing variables that change the occupation probability for states with m s = ± 1 - such as microwave radiation of a suitable frequency - which makes it advantageous to use materials such as particles with NV centers as (externally) controllable
Fluoreszenzstoffe zusammen mit entsprechenden Verfahren und Vorrichtungen - wie etwa entsprechend ausgerüsteten Mikroskopen - ermöglicht werden. Fluorescent substances together with appropriate methods and devices - such as appropriately equipped microscopes - are made possible.
Fig. 3 zeigt ein Objektiv 100 für ein Mikroskop, wobei das Objektiv ein NV-Zentrum 140 aufweist, nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3 shows an objective 100 for a microscope, the objective having an NV center 140, according to an embodiment of the present invention.
In einem Ausführungsbeispiel weist das Objektiv 100 eine Verbindungseinrichtung 102, die zur Verbindung mit dem Mikroskop eingerichtet ist, ein Gehäuse 110 und eine Trägerplatte 120 auf, welche mittels einer Bewegungseinrichtung 112 des Objektivs 100 mit dem Gehäuse 110 bewegbar verbunden ist. In einigen Varianten weist die Bewegungseinrichtung 112 ein Gleitlager auf oder besteht daraus. In einigen Varianten weist die Verbindungseinrichtung 102 ein Gewinde auf oder besteht daraus und ist auf einer dem Mikroskop zugewandten Seite des Gehäuses 110 ausgebildet. Durch Verbinden des Objektivs 100 mit dem Mikroskop mittels der Verbindungseinrichtung 102 lassen sich ein Strahlengang des Objektivs und ein Strahlengang des Mikroskops derart ausrichten, dass ein gemeinsamer Strahlengang ausgebildet wird. In einigen Varianten weist das Gehäuse 110 weitere optische Elemente 116 wie etwa Linsen auf, welche im Strahlengang des Objektivs 100 angeordnet sind. In one embodiment, the objective 100 has a connecting device 102 which is set up for connection to the microscope, a housing 110 and a carrier plate 120 which is movably connected to the housing 110 by means of a movement device 112 of the objective 100. In some variants, the movement device 112 has one Plain bearings on or consists of it. In some variants, the connecting device 102 has or consists of a thread and is formed on a side of the housing 110 facing the microscope. By connecting the objective 100 to the microscope by means of the connecting device 102, a beam path of the objective and a beam path of the microscope can be aligned in such a way that a common beam path is formed. In some variants, the housing 110 has further optical elements 116, such as lenses, which are arranged in the beam path of the objective 100.
Die Trägerplatte 120 weist eine erste Linse 122, ein Festkörperelement 124 und eine zweite Linse 126 auf. Das Festkörperelement 124 weist wenigstens ein NV-Zentrum 140 auf und ist integral und optisch durchlässig mit der ersten Linse 122 - etwa mittels eines optischen Klebstoff 123 - verbunden. Entsprechend können auch in einigen Varianten die erste Linse 122 und die zweite Linse 126 mit der Trägerplatte 120, welche etwa mit einem optisch The carrier plate 120 has a first lens 122, a solid-state element 124 and a second lens 126. The solid-state element 124 has at least one NV center 140 and is integrally and optically permeable to the first lens 122, for example by means of an optical adhesive 123. Correspondingly, in some variants, the first lens 122 and the second lens 126 can also be combined with the carrier plate 120, which for example have an optical
durchsichtigen Material hergestellt ist, insbesondere aus Glas besteht, integral und optisch durchlässig verbunden sein. Die Trägerplatte 120 und die Bewegungseinrichtung 112 sind eingerichtet, mittels einer Bewegung die Trägerplatte 120 relativ zum Gehäuse 110 derart in eine erste Verbindungsposition zur Erfassung des wenigstens einen NV-Zentrums 140 zu bewegen, dass die erste Linse 122, das Festkörperelement 124 und das NV-Zentrum 140 im Strahlengang des Objektivs in einer festen Position angeordnet sind. Zudem sind die transparent material is made, in particular consists of glass, be integrally and optically permeable connected. The carrier plate 120 and the movement device 112 are set up to move the carrier plate 120 relative to the housing 110 into a first connection position for detecting the at least one NV center 140 by means of a movement such that the first lens 122, the solid-state element 124 and the NV- Center 140 are arranged in a fixed position in the beam path of the objective. In addition, they are
Trägerplatte 120 und die Bewegungseinrichtung 112 eingerichtet, mittels einer Bewegung die Trägerplatte 120 relativ zum Gehäuse 110 derart in eine zweite Verbindungsposition zur Erfassung eines Objekts, welches auf einer bezüglich des Strahlengangs vom Mikroskop abgewandten Seite des Objektivs zum Abbilden mittels des Mikroskops angeordnet ist, zu bewegen, dass die zweite Linse 126 im Strahlengang in einer festen Position angeordnet ist und Licht vom Objekt in den Strahlengang lenkt oder umgekehrt Licht, welches vom Mikroskop aus durch den Strahlengang verläuft, zum Objekt lenkt. Carrier plate 120 and the movement device 112 set up by means of a movement to move the carrier plate 120 relative to the housing 110 in such a way into a second connection position for detecting an object which is arranged on a side of the objective facing away from the beam path from the microscope for imaging by means of the microscope that the second lens 126 is arranged in a fixed position in the beam path and directs light from the object into the beam path or, conversely, directs light that runs from the microscope through the beam path to the object.
In einigen Varianten - wie etwa in Fig. 3 dargestellt - ist die erste Linse 122 auf einer bezüglich des Strahlengangs die Mikroskop zugewandten Seite semisphärisch geformt, wodurch sich vorteilhaft die Lichtausbeute, insbesondere des vom NV-Zentrum emittierten Lichts, erhöhen lässt. Dabei weist in einigen Varianten die Trägerplatte 120 ein erstes optisches Element 128 auf, welches relativ zur ersten Linse 122 angeordnet und eingerichtet ist, wenn es in der ersten Verbindungsposition zusammen mit der ersten Linse 122, dem Festkörperelement 124 und dem NV-Zentrum 140 im Strahlengang des Objektivs angeordnet ist, eine sphärische Aberration aufgrund der semisphärisch geformten ersten Linse 122 zu kompensieren. Vorteilhaft lässt sich dieses erste optische Element 128 mittels der Bewegung für die zweite Verbindungsposition aus dem Strahlengang zusammen mit der semisphärisch geformten ersten Linse 122 und der Festkörperelement 124 mit dem NV-Zentrum 140 entfernen, sodass diese eine Abbildung des Objekts anhand der zweiten Linse 128 nicht stören und insbesondere ein scharfes Bild ermöglicht wird. In some variants - such as shown in FIG. 3 - the first lens 122 is semispherically shaped on a side facing the microscope with respect to the beam path, whereby the light yield, in particular the light emitted by the NV center, can advantageously be increased. In some variants, the carrier plate 120 has a first optical element 128 which is arranged and set up relative to the first lens 122 when it is in the first connection position together with the first lens 122, the solid-state element 124 and the NV center 140 in the beam path of the objective is arranged to compensate for a spherical aberration due to the semispherically shaped first lens 122. This first optical element 128 can advantageously be used for the second connection position by means of the movement Remove the solid-state element 124 with the NV center 140 from the beam path together with the semispherically shaped first lens 122, so that they do not interfere with an image of the object using the second lens 128 and, in particular, a sharp image is made possible.
In Fig. 4 ist ein weiteres Objektiv 100 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als schematischer Schnitt dargestellt. In Fig. 4, a further objective 100 according to an embodiment of the present invention is shown as a schematic section.
In einem Ausführungsbeispiel weist das weitere Objektiv 100 ein Gehäuse 110, eine In one embodiment, the further objective 100 has a housing 110, a
Verbindungseinrichtung 102 und etwaig eines oder mehrere weitere optische Elemente 116 in einem Strahlengang des Objektivs auf. Dabei ist das weitere Objektiv 100 in einigen Varianten ähnlich dem Objektiv aus Fig.3 ausgebildet, wobei die Verbindungseinrichtung 102 ein Gewinde aufweisen kann, sodass das Objektiv 100 mittels des Gewindes 102 mit einem handelsüblichen Mikroskop verbindbar ist. Connecting device 102 and possibly one or more further optical elements 116 in a beam path of the objective. In this case, the further objective 100 is designed in some variants similar to the objective from FIG. 3, wherein the connecting device 102 can have a thread so that the objective 100 can be connected to a commercially available microscope by means of the thread 102.
Das weitere Objektiv 100 weist weiterhin ein Festkörperelement 124 auf, welches als Frontlinse des Objektivs ausgebildet ist und dabei bezüglich des Strahlengangs auf einer dem Mikroskop abgewandten Seite des Objektivs, insbesondere als letztes optisches Element entlang des Strahlengangs vom Mikroskop über das Objektiv zu einem etwaigen zu mikroskopierenden Objekt, angeordnet und derart geformt ist, dass, wenn ein Objekt beim Objektiv zum The further objective 100 also has a solid-state element 124, which is designed as a front lens of the objective and, with respect to the beam path, on a side of the objective facing away from the microscope, in particular as the last optical element along the beam path from the microscope via the objective to a possible microscope Object, is arranged and shaped in such a way that when an object at the lens for
Mikroskopieren angeordnet ist, Licht von diesem Objekt in den Strahlengang geführt wird. Die Frontlinse 124 weist wenigstens ein - oder wie dargestellt - mehrere NV-Zentren 140 auf, welche derart angeordnet sind, dass Licht von diesen NV-Zentren 140 in den Strahlengang geführt und somit, wenn das (weitere) Objektiv 100 mit einem Mikroskop verbunden ist, anhand des Mikroskops abgebildet und etwaig mit einer Bilderfassungseinrichtung, insbesondere bildgebend, erfassbar sind. Microscopy is arranged, light from this object is guided into the beam path. The front lens 124 has at least one — or, as shown — several NV centers 140, which are arranged in such a way that light is guided from these NV centers 140 into the beam path and thus when the (further) lens 100 is connected to a microscope , imaged by means of the microscope and possibly with an image acquisition device, in particular in an imaging manner.
Die Frontlinse 124 besteht in einigen Varianten aus Diamant - insbesondere aus genau einem monokristallinen Diamant -, wobei die NV-Zentren 140 Stickstoff-Fehlstellen-Zentren, insbesondere [NV]_ -Zentren sind. Auf diese vorteilhaft Weise lassen sich gute optische In some variants, the front lens 124 consists of diamond - in particular of precisely one monocrystalline diamond -, the NV centers 140 being nitrogen defect centers, in particular [NV] _ centers. In this advantageous way, good optical
Eigenschaften im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums sowohl für ein mikroskopierenden eines Objekts über die Frontlinse als auch für eine Detektion von Licht, welches von den NV-Zentren emittiert wird, und gute mechanische Eigenschaften - insbesondere eine geringe Kratzempfindlichkeit - erzielen sowie eine magnetfeldabhängige optische Detektion mit Anregungs- und Emissionslicht im sichtbaren Bereich an NV-Zentren mit weitgehend bekannten Eigenschaften ermöglichen. Das weitere Objektiv 100 weist weiterhin eine Mikrowellenantennenanordnung 280 auf, welche eingerichtet ist, Mikrowellenstrahlung zu den NV-Zentren 140 in einem Frequenzbereich für eine Elektronenspinresonanz der NV-Zentren auszustrahlen, wobei dieser Frequenzbereich in einigen Varianten im Gigahertz-Bereich liegt, etwa für Varianten mit [NV]_ -Zentren als die NV- Zentren 140 in einem Bereich bei 2,87 GHz liegt und die Mikrowellenantennenanordnung 280 entsprechend etwa eingerichtet ist, Mikrowellenstrahlung zwischen 2,5 GHz und 3,5 GHz auszustrahlen. In einigen Varianten ist die Mikrowellenantennenanordnung 280 bei der Frontlinse, also bei dem Festkörperelement 124 mit den NV-Zentren 140 angeordnet, um insbesondere - im Vergleich mit einer weiter entfernten Anordnung - eine stärkere Kopplung der Mikrowellenantennenanordnung 280 mit den NV-Zentren 140 zu ermöglichen. Auch ist in einigen Varianten die Mikrowellenantennenanordnung 280 im Gehäuse 110 angeordnet, um insbesondere die Mikrowellenantennenanordnung 280 zu schützen, ein kompaktes Objektiv 100 zu ermöglichen und/oder die Handhabung des Objektivs 100 zu erleichtern. Properties in the visible range of the electromagnetic spectrum both for microscoping an object via the front lens and for detection of light emitted by the NV centers, and good mechanical properties - in particular low scratch sensitivity - achieve as well as magnetic field-dependent optical detection Enable excitation and emission light in the visible range at NV centers with largely known properties. The further lens 100 also has a microwave antenna arrangement 280, which is set up to emit microwave radiation to the NV centers 140 in a frequency range for electron spin resonance of the NV centers, this frequency range being in the gigahertz range in some variants, for example for variants with [NV] _ centers than the NV centers 140 is in a range at 2.87 GHz and the microwave antenna arrangement 280 is accordingly set up approximately to emit microwave radiation between 2.5 GHz and 3.5 GHz. In some variants, the microwave antenna arrangement 280 is arranged at the front lens, that is to say in the solid-state element 124 with the NV centers 140, in order to enable a stronger coupling of the microwave antenna arrangement 280 to the NV centers 140 in comparison with an arrangement further away. In some variants, the microwave antenna arrangement 280 is also arranged in the housing 110 in order, in particular, to protect the microwave antenna arrangement 280, to enable a compact lens 100 and / or to facilitate the handling of the lens 100.
Das weitere Objektiv 100 weist - wie dargestellt - in einigen Varianten eine The further objective 100 has - as shown - in some variants a
Magnetfeldeinrichtung 180 auf, die eingerichtet ist ein statisches oder niederfrequentes Magnetic field device 180, which is set up a static or low frequency
Vormagnetisierungsfeldes für die NV-Zentren 140 zu erzeugen. Auch die Magnetfeldeinrichtung 180 kann entsprechend der Mikrowellenantennenanordnung 280 in einigen Varianten bei der Frontlinse 124 und/oder im Gehäuse 110 angeordnet sein. Auch sind in einigen Varianten die Magnetfeldeinrichtung 180 und die Mikrowellenantennenanordnung 280 als eine gemeinsame Mikrowellen-Magnetfeld-Einrichtung ausgebildet, welche eingerichtet ist, sowohl ein statisches oder niederfrequentes Vormagnetisierungsfeldes als auch eine Mikrowellenstrahlung für eine Elektronenspinresonanz der NV-Zentren auszustrahlen. In einigen Varianten ist die Generate bias field for the NV centers 140. The magnetic field device 180 can also be arranged in some variants in accordance with the microwave antenna arrangement 280 in the front lens 124 and / or in the housing 110. In some variants, the magnetic field device 180 and the microwave antenna arrangement 280 are also designed as a common microwave magnetic field device which is set up to emit both a static or low-frequency bias field and microwave radiation for electron spin resonance of the NV centers. In some variants the
gemeinsame Mikrowellen-Magnetfeld-Einrichtung (oder entsprechend die common microwave-magnetic field device (or correspondingly the
Magnetfeldeinrichtung 180 oder die Mikrowellenantennenanordnung 280) zudem eingerichtet, elektromagnetische Strahlung im Megahertz-Bereich zum Erzeugen von Wirbelströmen in einem Testobjekt auszustrahlen. In einigen Varianten weist die gemeinsame Mikrowellen- Magnetfeld-Einrichtung (oder entsprechend die Magnetfeldeinrichtung 180 oder die Magnetic field device 180 or the microwave antenna arrangement 280) also set up to emit electromagnetic radiation in the megahertz range for generating eddy currents in a test object. In some variants, the common microwave magnetic field device (or correspondingly the magnetic field device 180 or the
Mikrowellenantennenanordnung 280) eine Spulenanordnung auf oder besteht daraus. In einigen Varianten ist die Spulenanordnung ringförmig um den Strahlengang und/oder die Frontlinse 124 ausgebildet. In einigen Varianten davon ist eine Spule oder sind mehrere Spulen der Spulenanordnung kernlos, insbesondere als Luftspule ausgebildet, wobei sich ein elektrischer Leiter der Spule/Spulen um den Strahlengang und/oder die Frontlinse 124 windet. Hierdurch lässt sich eine gute Kopplung erzielen und/oder eine Störung der optischen Microwave antenna arrangement 280) has a coil arrangement or consists thereof. In some variants, the coil arrangement is embodied in an annular manner around the beam path and / or the front lens 124. In some variants of this, a coil or several coils of the coil arrangement are coreless, in particular designed as an air coil, with an electrical conductor of the coil / coils winding around the beam path and / or the front lens 124. This makes it possible to achieve good coupling and / or to disrupt the optical
Eigenschaften - etwa aufgrund von Teilen der Magnetfeldeinrichtung 180 / Mikrowellenantennenanordnung 280 / Mikrowellen-Magnetfeld-Einrichtung im Strahlengang - vermeiden. Properties - e.g. due to parts of the magnetic field device 180 / Microwave antenna arrangement 280 / microwave magnetic field device in the beam path - avoid.
Das Gehäuse 110 weist in einigen Varianten Anschlusselemente 282, 284 für die In some variants, the housing 110 has connection elements 282, 284 for the
Mikrowellenantennenanordnung 280 und/oder Anschlusselemente 182, 184 für die Microwave antenna arrangement 280 and / or connection elements 182, 184 for the
Magnetfeldeinrichtung 180 auf. In einigen Varianten davon sind diese mit der Magnetic field device 180. In some variants, these are linked to the
Verbindungseinrichtung 102 integriert oder bei dieser angeordnet, um insbesondere eine in der Handhabung einfache Verbindung sowohl des Objektivs 100 mit dem Mikroskop als auch eine gleichzeitige Verbindung der Magnetfeldeinrichtung 180 und/oder der Connecting device 102 integrated or arranged in this, in particular to provide a simple-to-use connection both of the objective 100 to the microscope and a simultaneous connection of the magnetic field device 180 and / or the
Mikrowellenantennenanordnung 280 mit entsprechenden Systemen zum Erzeugen von Signalen für die Mikrowellenstrahlung, das Vormagnetisierungsfeld und/oder die Microwave antenna arrangement 280 with corresponding systems for generating signals for the microwave radiation, the bias field and / or the
elektromagnetische Strahlung im Megahertz-Bereich - etwa über weitere am Mikroskop angeordnete Verbindungselemente - zu ermöglichen. To enable electromagnetic radiation in the megahertz range - for example via other connecting elements arranged on the microscope.
Fig. 5 skizziert eine Vorrichtung 200 mit einem Diamantplättchen 240 nach einer 5 outlines a device 200 with a diamond plate 240 according to a
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Embodiment of the present invention.
In einem Ausführungsbeispiel weist das Diamantplättchen 240 ein Stickstoff-Fehlstellen- Zentrum, insbesondere ein [NV]_ -Zentrum, als wenigstens ein NV-Zentrum 140 auf. In einigen Varianten ist das Diamantplättchen 240 aus polykristallinem Diamant hergestellt, wodurch insbesondere eine einfache Herstellung ermöglicht wird. Dabei bleiben insbesondere die Eigenschaften von [NV]_-Zentren auch im polykristallinem Diamant erhalten. In one embodiment, the diamond plate 240 has a nitrogen vacancy center, in particular a [NV] _ center, as at least one NV center 140. In some variants, the diamond plate 240 is made from polycrystalline diamond, which in particular enables simple production. In particular, the properties of [NV] _ centers are retained in polycrystalline diamond.
In einem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 200 eine Mikrowellenantennenanordnung 280 sowie ein erstes Anschlusselement 282 und ein zweites Anschlusselement 284 für die Mikrowellenantennenanordnung 280 auf. In einigen Varianten weist die In one embodiment, the device 200 has a microwave antenna arrangement 280 as well as a first connection element 282 and a second connection element 284 for the microwave antenna arrangement 280. In some variants, the
Mikrowellenantennenanordnung 280 eine Struktur mit einem elektrischen Leiter auf, welche mäandernd an einer Seite des Diamantplättchens 240 angeordnet ist. In einigen Varianten davon ist der elektrische Leiter auf das Diamantplättchen 240 aufgedampft oder ist der elektrische Leiter als Draht mit dem Diamantplättchen 240 mechanisch - etwa über eine Klebstoffverbindung - verbunden. Microwave antenna arrangement 280 has a structure with an electrical conductor, which is arranged in a meandering manner on one side of the diamond plate 240. In some variants, the electrical conductor is vapor-deposited onto the diamond plate 240 or the electrical conductor is mechanically connected as a wire to the diamond plate 240, for example via an adhesive connection.
Fig. 6 zeigt ein Mikroskop 300 für 2-Pi-Mikroskopie nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In einem Ausführungsbeispiel weist das Mikroskop 300 ein Objektiv 100 mit einem Diamantplättchen 240 als Festkörperelement sowie eine Mikrowellenantennenanordnung 280 auf. Alternativ weist in einigen Varianten das Mikroskop 300 ein Objektiv 100 und gesondert ein Festkörperelement 124 - etwa ein Diamantplättchen 240 - auf. Das Diamantplättchen 240 bzw. das Festkörperelement 124 weist eine Vielzahl an NV-Zentren 140 auf, welche zur 6 shows a microscope 300 for 2-pi microscopy according to an embodiment of the present invention. In one exemplary embodiment, the microscope 300 has an objective 100 with a diamond plate 240 as a solid-state element and a microwave antenna arrangement 280. Alternatively, in some variants, the microscope 300 has an objective 100 and, separately, a solid-state element 124 - for example a diamond plate 240. The diamond plate 240 or the solid-state element 124 has a plurality of NV centers 140, which for
magnetfeldabhängigen optischen Detektion in einen Fokalpunkt des Mikroskops 300 bzw. in einem Bildbereich des Mikroskops anordenbar sind. Magnetic field-dependent optical detection can be arranged in a focal point of the microscope 300 or in an image area of the microscope.
Weiterhin weist das Mikroskop 300 in einigen Varianten eine Lichtquelle 340, insbesondere einen Laser, auf, die eingerichtet ist, ein Anregungslicht 304 für die NV-Zentren 140 zu erzeugen. In einigen Varianten davon mit [NV]_ -Zentren als NV-Zentren ist die Lichtquelle 340 als grüner Laser, insbesondere mit einer Wellenlänge von 515 nm ausgebildet. Weiterhin weist das Mikroskop 300 in einigen Varianten eine Bilderfassungseinrichtung 350, insbesondere mit einem elektronischen Bildsensor, auf, die eingerichtet ist, ein Emissionslicht 305 von den NV- Zentren 140 bildgebend zu erfassen. In einigen Varianten davon mit [NV]_-Zentren als NV- Zentren weist die Bilderfassungseinrichtung 350 einen Bildsensor auf, welcher für rotes Licht, insbesondere mit einer Wellenlänge von 637 nm sensitiv ist. Auch weist das Mikroskop 300 in einigen Varianten eine Strahlungsteilereinrichtung 330 auf, die eingerichtet ist, Anregungslicht 304 - etwa von einer Lichtquelle 340 - in einen Strahlengang des Mikroskops 300 einzukoppeln sowie von einem der NV-Zentren in den Strahlengang emittiertes Emissionslicht 305 zu einem Strahlengangausgang des Mikroskops - bei welchem etwa eine Bilderfassungseinrichtung 350 angeordnet ist - zu führen. In einigen Varianten ist die Strahlungsteilereinrichtung 330 als dichroitischer Spiegel ausgebildet. Furthermore, the microscope 300 has in some variants a light source 340, in particular a laser, which is set up to generate an excitation light 304 for the NV centers 140. In some variants thereof with [NV] _ centers as NV centers, the light source 340 is designed as a green laser, in particular with a wavelength of 515 nm. Furthermore, the microscope 300 has in some variants an image acquisition device 350, in particular with an electronic image sensor, which is set up to acquire an emission light 305 from the NV centers 140 in an imaging manner. In some variants thereof with [NV] _ centers as NV centers, the image capture device 350 has an image sensor which is sensitive to red light, in particular with a wavelength of 637 nm. In some variants, the microscope 300 also has a beam splitter device 330 which is set up to couple excitation light 304 - for example from a light source 340 - into a beam path of the microscope 300, and emission light 305 emitted from one of the NV centers into the beam path to a beam path exit of the Microscope - in which, for example, an image acquisition device 350 is arranged - to guide. In some variants, the beam splitter device 330 is designed as a dichroic mirror.
In einem Ausführungsbeispiel - wie in Fig. 6 dargestellt - ist das Diamantplättchen 240 auf einer bezüglich des Strahlengangs dem Mikroskop zugewandten Seite mit einer für das von den NV-Zentren emittierte Licht antireflektierenden Beschichtung 244 beschichtet. Auf diese vorteilhafte Weise lassen sich Mehrfachreflexionen vermeiden und somit die Bildqualität erhöhen. In one embodiment - as shown in FIG. 6 - the diamond plate 240 is coated on a side facing the microscope with respect to the beam path with an anti-reflective coating 244 for the light emitted by the NV centers. In this advantageous way, multiple reflections can be avoided and the image quality can thus be increased.
In einem Ausführungsbeispiel - wie in Fig. 6 dargestellt - ist das Diamantplättchen 240 auf einer bezüglich des Strahlengangs dem Mikroskop abgewandten Seite mit einer für das von den NV-Zentren emittierte Licht reflektierenden Beschichtung 245 beschichtet. Auf diese vorteilhafte Weise lässt sich auch das in Richtung der abgewandten Seite emittierte Licht 305 in den Strahlengang führen und somit eine Lichtausbeute und damit die Sensitivität erhöhen. In einigen Varianten sind die NV-Zentren 140 im Diamantplättchen 240 nahe an einer Oberfläche des Diamantplättchen bei der reflektierenden Beschichtung 245 angeordnet - etwa weniger als 100 nm, insbesondere weniger als 20 nm von der Oberfläche entfernt wodurch sich In one embodiment - as shown in FIG. 6 - the diamond plate 240 is coated on a side facing away from the microscope with respect to the beam path with a coating 245 that reflects the light emitted by the NV centers. In this advantageous way, the light 305 emitted in the direction of the opposite side can also be guided into the beam path and thus a light yield and thus the sensitivity can be increased. In some variations, the NV centers 140 in the diamond plate 240 are close to a surface of the diamond plate arranged at the reflective coating 245 - about less than 100 nm, in particular less than 20 nm away from the surface, whereby
insbesondere Doppelbilder aufgrund der Reflexion reduzieren lassen und somit die Bildqualität erhöhen lässt. in particular can reduce double images due to the reflection and thus increase the image quality.
In einigen Varianten ist die antireflektierenden Beschichtung 244 eingerichtet, auch für das Anregungslicht 304 antireflektierend zu sein, wodurch sich insbesondere die Effizienz bei der Anregung steigern lässt. In einigen Varianten ist die reflektierende Beschichtung 245 als dichroitische Beschichtung ausgebildet, welche für das Anregungslicht 304 antireflektierend ist, wodurch sich insbesondere eine Rückreflexion vermeiden lässt. Auch kann die reflektierende Beschichtung 245 für weitere Wellenlängen des Lichts antireflektierend sein, wodurch sich insbesondere ein Objekt hinter dieser Beschichtung 245 zumindest für solche Wellenlängen erfassen lässt, bei welchen die Beschichtung 245 das Licht nicht reflektiert. In some variants, the antireflective coating 244 is designed to be antireflective for the excitation light 304 as well, as a result of which, in particular, the efficiency during the excitation can be increased. In some variants, the reflective coating 245 is embodied as a dichroic coating, which is antireflective for the excitation light 304, which in particular makes it possible to avoid back reflection. The reflective coating 245 can also be antireflective for other wavelengths of light, as a result of which, in particular, an object behind this coating 245 can be detected at least for those wavelengths at which the coating 245 does not reflect the light.
In einem Ausführungsbeispiel - wie in Fig. 6 dargestellt - ist das Objektiv 100 als In one embodiment - as shown in Fig. 6 - the lens 100 is as
Spiegelobjektiv ausgebildet. In einigen Varianten kann das Spiegelobjektiv 100 als Mirror lens formed. In some variants, the mirror lens 100 can be used as
Schwarzschild-Objektiv ausgebildet sein. In einigen Varianten weist das Spiegelobjektiv 100 einen konkaven Spiegel 130 und einen konvexen Spiegel 132 auf. In einigen Varianten ist der konvexe Spiegel 132 dichroitisch und dabei durchlässig für das Anregungslicht 304 sowie reflektierend/spiegelnd für das Emissionslicht 305, wodurch insbesondere eine direkte Schwarzschild lens be designed. In some variants, the mirror objective 100 has a concave mirror 130 and a convex mirror 132. In some variants, the convex mirror 132 is dichroic and at the same time permeable to the excitation light 304 as well as reflective / specular for the emission light 305, whereby in particular a direct
Anregung der NV-Zentren 140 - insbesondere ohne Abbildung über das Spiegelobjektiv 100 - mittels des Anregungslicht 304 ermöglicht wird, während das Emissionslicht 305 mittels des Spiegelobjektivs 100 - etwa ausgehend von einem Fokalpunkt oder von einem Bildbereich - abgebildet wird. Auch kann der konvexe Spiegel 132 für das Anregungslicht 304 und für das Emissionslicht 305 reflektierend sein, womit insbesondere eine Fokussierung auf einen Fokalpunkt - etwa für eine konfokale Mikroskopie - ermöglicht wird. Excitation of NV centers 140 - in particular without imaging via mirror objective 100 - is made possible by means of excitation light 304, while emission light 305 is imaged by means of mirror objective 100 - for example starting from a focal point or from an image area. The convex mirror 132 can also be reflective for the excitation light 304 and for the emission light 305, which in particular enables focusing on a focal point - for example for confocal microscopy.
Das Spiegelobjektiv 100 ist in einigen Varianten - wie in Fig. 7 dargestellt - derart ausgebildet, dass es einen Endspiegel 134 aufweist - etwa umfassend Diamant -, in welchem die NV- Zentren bzw. das wenigstens eine NV-Zentrums - insbesondere in der Nähe einer Seite des Endspiegels 134, welche beim Mikroskopieren einem zu mikroskopierenden Objekt zugewandt ist - ausgebildet sind. Auf diese vorteilhafte Weise können der separate konvexe Spiegel und das Festkörperelement bzw. das Diamantplättchen entfallen, wobei deren Funktion in dem Endspiegel 134 kombiniert wird. In einigen Varianten ist eine Seite des Endspiegels, welche beim Mikroskopieren einem zu mikroskopierenden Objekt zugewandt ist, mit einer für das Emissionslicht 305 reflektierenden Beschichtung 244 beschichtet. In einigen Varianten ist eine Seite des Endspiegels, welche beim Mikroskopieren einem zu mikroskopierenden Objekt abgewandt ist, mit einer für das Anregungslicht 304 antireflektierenden Beschichtung 245 oder mit einer für das Emissionslicht 305 reflektierenden Beschichtung 245, insbesondere mit einer dichroitischen Beschichtung 245 beschichtet, wodurch sich die Effizienz der Anregung mittels Anregungslicht 304 steigern lässt und/oder - etwaig eingestreute - Lichtkomponenten, insbesondere entlang des Strahlengangs zu den NV-Zentren, reduzieren lassen, also etwa ein Hintergrundrauschen im Spektralbereich des Emissionslichts 305 reduziert werden kann. The mirror objective 100 is designed in some variants - as shown in FIG. 7 - in such a way that it has an end mirror 134 - for example comprising diamond - in which the NV centers or the at least one NV center - in particular in the vicinity of a Side of the end mirror 134, which faces an object to be microscoped during microscopy - are formed. In this advantageous way, the separate convex mirror and the solid-state element or the diamond plate can be omitted, their function being combined in the end mirror 134. In some variants, one side of the end mirror which faces an object to be microscoped during microscopy is coated with a coating 244 that reflects the emission light 305. In some variants there is a Side of the end mirror, which faces away from an object to be microscoped during microscopy, is coated with a coating 245 that is antireflective for the excitation light 304 or with a coating 245 that is reflective for the emission light 305, in particular with a dichroic coating 245, which increases the efficiency of the excitation by means of excitation light 304 can be increased and / or - any interspersed - light components, in particular along the beam path to the NV centers, can be reduced, that is to say, for example, background noise in the spectral range of the emission light 305 can be reduced.
Ein Vorteil des Spiegelobjektivs kann insbesondere darin liegen, dass dieses über eine große Bandbreite bzw. einen großen Bereich an Wellenlängen achromatisch ist und somit sich chromatische Verzerrungen auch bei Emissionslicht 305, welches eine große One advantage of the mirror objective can in particular lie in the fact that it is achromatic over a large bandwidth or a large range of wavelengths and thus chromatic distortions occur even in the case of emission light 305, which is large
Spektralbandbreite - etwa 100 nm für [NV]_ -Zentren - aufweist, reduzieren lassen. Spectral bandwidth - about 100 nm for [NV] _ centers - can be reduced.
In Fig. 8 ist eine Verwendung eines Mikroskops zur bildgebenden Bestimmung eines 8 shows a use of a microscope for the imaging determination of a
Magnetfelds veranschaulicht. Magnetic field illustrated.
Dabei wird in einem Ausführungsbeispiel ein Elektronik-Chip 574, welcher auf einer Platine 572 in einem Sockel 576 angebracht ist, analysiert und mittels der Bestimmung des Magnetfelds im Elektronik-Chip 574 fließende Ströme bestimmt. Der Elektronik-Chip 574 ist über mehrere Leitungen 578 etwa mit weiteren Komponenten auf der Platine 572 und/oder mit einem In one exemplary embodiment, an electronic chip 574, which is attached to a circuit board 572 in a base 576, is analyzed and currents flowing in the electronic chip 574 are determined by determining the magnetic field. The electronics chip 574 is connected to other components on the circuit board 572 and / or to a
Versuchsaufbau zum Einspeisen und oder Auslesen von bestimmten Spannungen oder Strömen verbunden. So kann der Chip 574 etwa - in seiner üblichen Funktion - auf der Platine 572 betrieben werden oder mittels Einspeisen bestimmter Spannungen/Ströme gezielt manipuliert werden. Bei dem Chip 574 ist eine Vorrichtung mit einem Diamantplättchen 240, einer Mikrowellenantennenanordnung 280 sowie Anschlüssen 282, 284 für die Experimental set-up for feeding in and / or reading out certain voltages or currents. For example, the chip 574 can - in its usual function - be operated on the circuit board 572 or can be manipulated in a targeted manner by feeding in certain voltages / currents. The chip 574 has a device with a diamond plate 240, a microwave antenna arrangement 280 and connections 282, 284 for the
Mikrowellenantennenanordnung angebracht. In einigen Varianten der Verwendung kann dabei ein Gehäuse des Elektronik-Chips 574 oben - d. h. insbesondere an einer der Platine gegenüberliegenden Seite - geöffnet sein, was auch als„geköpft“ bezeichnet wird, wodurch eine bessere Kopplung des auf diese Seite gelegten Diamantplättchens 240 ermöglicht wird. Aufgrund von im Chip 574 fließenden elektrischen Strömen wird ein (ortsabhängiges) Microwave antenna assembly attached. In some variants of the use, a housing of the electronic chip 574 at the top - i. H. in particular on a side opposite the board - be open, which is also referred to as “decapitated”, which enables better coupling of the diamond plate 240 placed on this side. Due to the electrical currents flowing in the chip 574, a (location-dependent)
Magnetfeld induziert, welches ein wenigstens eines NV-Zentrum des Diamantplättchens derart beeinflusst, dass eine Elektronenspinresonanz beim wenigstens einen NV-Zentrum für eine bestimmte Frequenz von einer mittels der Mikrowellenantennenanordnung 280 eingestrahlten Mikrowellenstrahlung verstärkt oder abgeschwächt wird, wodurch sich bei Anregung mittels Anregungslichts die Fluoreszenz des wenigstens einen NV-Zentrums, also das emittierte Emissionslicht reduziert bzw. zunimmt. Durch Bewegen der Platine 572 zusammen mit dem Elektronik-Chip 574 über eine Vielzahl an Positionen mittels Aktuatoren 372, lässt sich über die Fluoreszenz bzw. deren Änderung ein jeweils lokal wirkendes Magnetfeld beim NV-Zentrum für die Vielzahl an Positionen bestimmen und so ein Gesamtmagnetfeld und entsprechend eine elektrische Stromdichte, welche ein solches Gesamtmagnetfeld erzeugt, bestimmen. In einigen Varianten sind die Aktuatoren 372 als Piezo-Aktuatoren ausgebildet oder weisen solche auf. Auch können die Aktuatoren 372 eingerichtet sein, die Platine 572 oder entsprechend ein anderes zu analysierendes/untersuchendes Objekt durch eine sogenannte„slip and stick motion“ zu bewegen. Auch kann in einigen Varianten mit„geköpftem“ Elektronik-Chip dieser Chip 574 auf der geöffneten Seite poliert sein, wodurch ein besonders guter Kontakt und damit eine besonders gute Kopplung des Magnetfelds in das Diamantplättchen ermöglicht werden. Auch sind einige Varianten eingerichtet, einen zu analysierenden Bildbereich mittels der Mikrowellenantennenanordnung 280 zu umrahmen, wodurch sich die Elektronenspinresonanz hauptsächlich und effizient in diesem Bereich (bei geeigneter Mikrowellenfrequenz in Induced magnetic field which influences at least one NV center of the diamond plate in such a way that an electron spin resonance at the at least one NV center is amplified or weakened for a certain frequency by a microwave radiation radiated by means of the microwave antenna arrangement 280, whereby the fluorescence of the is increased when excited by excitation light at least one NV center, i.e. the emitted emission light is reduced or increased. By moving the board 572 together with the Electronics chip 574 over a multitude of positions by means of actuators 372, a locally acting magnetic field at the NV center for the multitude of positions can be determined via the fluorescence or its change, and thus an overall magnetic field and, accordingly, an electrical current density, which such Total magnetic field generated, determine. In some variants, the actuators 372 are designed as piezo actuators or have such. The actuators 372 can also be set up to move the circuit board 572 or, accordingly, another object to be analyzed / examined by a so-called “slip and stick motion”. In some variants with a “decapitated” electronic chip, this chip 574 can also be polished on the open side, which enables particularly good contact and thus particularly good coupling of the magnetic field into the diamond plate. Some variants are also set up to frame an image area to be analyzed by means of the microwave antenna arrangement 280, whereby the electron spin resonance is mainly and efficiently in this area (with a suitable microwave frequency in
Abhängigkeit vom lokal wirkenden Magnetfeld) anregen lässt. Depending on the locally acting magnetic field).
Bei einer entsprechenden Verwendung lässt sich ein entsprechender Messaufbau verwenden, welcher eine Einrichtung zum Erzeugen von Wirbelströmen aufweist, also etwa die With a corresponding use, a corresponding measurement set-up can be used which has a device for generating eddy currents, for example the
Mikrowellenantennenanordnung eingerichtet ist, neben elektromagnetische Strahlung im Mikrowellenbereich auch elektromagnetische Strahlung im Megahertz-Bereich zu erzeugen, um ein Objekt aufweisend ein leitfähiges Material zu untersuchen. Ein solches Objekt kann etwa ein metallisches Werkstück - etwa aus einem 3-D-Druckverfahren - sein. Dabei kann die Microwave antenna arrangement is set up, in addition to electromagnetic radiation in the microwave range, also to generate electromagnetic radiation in the megahertz range, in order to examine an object having a conductive material. Such an object can be a metallic workpiece - for example from a 3-D printing process. The
Einrichtung zum Erzeugen von Wirbelströmen eingerichtet sein, die Wrbelströme in einer bestimmten Materialtiefe oder bis zu einer bestimmten Materialtiefe zu erzeugen. Ein Vorteil dieser Verwendung kann insbesondere darin liegen, dass eine elektrische Leitfähigkeit im Objekt - etwa bei der bestimmten Materialtiefe - ortsaufgelöst bestimmbar ist, wobei die elektrische Leitfähigkeit Rückschlüsse über eine Güte des leitfähigen Materials ermöglicht. So lassen sich etwa Einschlüsse oder mangelhaft ausgebildete metallische Verbindungen - deren Ausdehnung üblicherweise im Bereich von Mikrometern liegt - in einem mittels 3-D- Druckverfahren hergestellten metallischen Werkstück basierend auf einer Änderung der induzierbaren Wrbelströme und damit eines daraus resultierenden Magnetfelds bestimmen. Device for generating eddy currents can be set up to generate the eddy currents in a certain material depth or up to a certain material depth. One advantage of this use can lie in the fact that an electrical conductivity in the object - for example at the specific material depth - can be determined in a spatially resolved manner, the electrical conductivity allowing conclusions to be drawn about the quality of the conductive material. For example, inclusions or poorly formed metallic connections - the extent of which is usually in the range of micrometers - can be determined in a metallic workpiece produced using a 3-D printing process based on a change in the inducible eddy currents and thus a magnetic field resulting therefrom.
In Fig. 9 ist ein Messaufbau 500 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, welche eingerichtet ist zur dreidimensionalen Bestimmung eines Magnetfelds mittels eines Konfokalmikroskops 530. In einem Ausführungsbeispiel weist der Messaufbau 500 das Konfokalmikroskop 530 auf. Zudem weist der Messaufbau 500 in einem Ausführungsbeispiel ein Festkörperelement 540 mit einer Vielzahl an NV-Zentren 140 auf, wobei sich die NV-Zentren über alle drei Dimensionen im Festkörperelement 540 räumlich erstrecken. In einigen Varianten ist das Festkörperelement 540 aus einem monokristallinen oder einem polykristallinen Diamant hergestellt, wobei die NV- Zentren 140 entsprechend [NV_]-Zentren sind. 9 shows a measurement setup 500 according to an embodiment of the present invention, which is set up for the three-dimensional determination of a magnetic field by means of a confocal microscope 530. In one exemplary embodiment, the measurement setup 500 has the confocal microscope 530. In addition, in one exemplary embodiment, the measurement setup 500 has a solid-state element 540 with a plurality of NV centers 140, the NV centers spatially extending over all three dimensions in the solid-state element 540. In some variations, the solid element is made 540 of a monocrystalline or polycrystalline diamond, the NV centers are 140 corresponding to [NV _] centers.
Außerdem ist in Fig. 9 ein zu untersuchendes Objekt 570, welches nicht notwendigerweise ein Bestandteil des Messaufbaus 500 ist, sondern dort zur Messung, d. h. zur Bestimmung des Magnetfelds - insbesondere eines solchen Magnetfeldes, welches durch das Objekt 570 erzeugt wird - angeordnet werden kann. Entsprechend kann auch ein weiteres Objekt dort angeordnet werden. In addition, FIG. 9 shows an object 570 to be examined, which is not necessarily part of the measurement setup 500, but is there for measurement, i.e. H. to determine the magnetic field - in particular such a magnetic field which is generated by the object 570 - can be arranged. Another object can be arranged there accordingly.
In einem Ausführungsbeispiel weist das Konfokalmikroskop 530 eine In one embodiment, the confocal microscope 530 has a
Strahlungsteilereinrichtung 330 sowie weitere optische Elemente 116 auf, welche eingerichtet sind, ein Anregungslicht 304 in einem Strahlengang des Konfokalmikroskops 530 auf einen Fokalpunkt zu bündeln sowie vom Fokalpunkt ausgestrahltes Licht 305, insbesondere Beam splitter device 330 and further optical elements 116, which are set up to bundle excitation light 304 in a beam path of confocal microscope 530 onto a focal point, and light 305 emitted by the focal point, in particular
Emissionslicht, welches von einem NV-Zentrum der Vielzahl an NV-Zentren 140 emittiert wird, in den Strahlengang zu führen. Dabei ist die Strahlungsteilereinrichtung 330 eingerichtet, den Strahlengang bezüglich des Anregungslichts 304 und des Lichts 305 aufzuteilen. To guide emission light, which is emitted from one NV center of the plurality of NV centers 140, into the beam path. In this case, the beam splitter device 330 is set up to split the beam path with respect to the excitation light 304 and the light 305.
In einem Ausführungsbeispiel weist der Messaufbau 500 weiterhin einen grünen Laser 340 als Lichtquelle zur Anregung der NV-Zentren, insbesondere mit einer Wellenlänge von 515 nm, sowie eine Fotodiode 350 zur Detektion von am Fokalpunkt emittiertem Emissionslicht, insbesondere mit einer hohen Sensitivität für eine Wellenlänge von 637 nm, auf. In alternativen Varianten kann der Messaufbau auch eine andere Lichtquelle und/oder anstelle der Fotodiode eine Bilderfassungseinrichtung 350 aufweisen, wobei diese abhängig von den jeweils beim Messaufbau verwendeten NV-Zentren ein entsprechendes Anregungslicht erzeugen bzw. für ein entsprechendes emissionslichtsensitiv sind. In one embodiment, the measurement setup 500 furthermore has a green laser 340 as a light source for exciting the NV centers, in particular with a wavelength of 515 nm, as well as a photodiode 350 for the detection of emission light emitted at the focal point, in particular with a high sensitivity for a wavelength of 637 nm. In alternative variants, the measurement set-up can also have another light source and / or an image acquisition device 350 instead of the photodiode, these generating a corresponding excitation light or being sensitive to a corresponding emission light depending on the NV centers used in the measuring set-up.
Mittels des Konfokalmikroskops 530 lassen sich verschiedene Positionen im Using the confocal microscope 530, various positions in the
Festkörperelement 540 abrastern, d. h. der Fokalpunkt auf jeweils eine solche Position fokussieren. Zur dreidimensionalen Bestimmung des Magnetfelds werden dabei solche Scanning solid state element 540, d. H. focus the focal point on such a position. For three-dimensional determination of the magnetic field, such
Positionen abgerastert, an welchen jeweils eines der NV-Zentren 140 angeordnet ist. Mittels einer - in Fig. 9 nicht dargestellten Mikrowellenantennenanordnung - lässt sich eine Scanned positions at which one of the NV centers 140 is arranged. By means of a microwave antenna arrangement (not shown in FIG. 9) a
Elektronenspinresonanz des dortigen NV-Zentrums anregen, wobei die Anregung bzw. die hierfür erforderliche (Mikrowellen-) Frequenz von dem bei diesem NV-Zentrum wirksamen Magnetfeld abhängig ist. Nachdem wiederum eine solche Elektronenspinresonanz zu einer Reduzierung der Fluoreszenz führt, lässt sich aus einer Änderung der Fluoreszenz das dort wirksame Magnetfeld bestimmen. Excite electron spin resonance of the NV center there, with the excitation or the The (microwave) frequency required for this is dependent on the magnetic field effective at this NV center. After such an electron spin resonance again leads to a reduction in fluorescence, the magnetic field effective there can be determined from a change in fluorescence.
Neben einer dreidimensionalen Bestimmung eines Magnetfelds über das Festkörperelement 540, in welchem die Vielzahl an NV-Zentren sich über alle drei Dimensionen erstreckt, lässt sich ein entsprechender Messaufbau 500 mit einem entsprechenden Verfahren auch für eine zweidimensionale Bestimmung verwenden, wobei NV-Zentren in einer zweidimensionalen Fläche abgerastert werden und etwa ein Diamantplättchen verwendet wird, bei welchem die NV-Zentren in einer Ebene - etwa in der Nähe einer Oberfläche des Diamantplättchens - angeordnet sind. Dabei lässt sich mittels der konfokalen Mikroskopie eine besonders hohe Auflösung erzielen. In addition to a three-dimensional determination of a magnetic field via the solid-state element 540, in which the large number of NV centers extend over all three dimensions, a corresponding measurement setup 500 with a corresponding method can also be used for a two-dimensional determination, with NV centers in a two-dimensional Area are scanned and about a diamond plate is used in which the NV centers in a plane - are arranged approximately in the vicinity of a surface of the diamond plate. A particularly high resolution can be achieved by means of confocal microscopy.
Fig. 10 zeigt ein Flussdiagram eines Verfahrens 400 zur dreidimensionalen Bestimmung eines Magnetfelds nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. FIG. 10 shows a flow diagram of a method 400 for three-dimensional determination of a magnetic field according to an embodiment of the present invention.
In einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 400 die Verfahrensschritte 420, 430, 432, 434, 436, 442, 446, 448 und 480 sowie die Verfahrensbedingungen 410 und 416 auf. Das Verfahren 400 beginnt beim Verfahrensstart 402 und endet beim Verfahrensende 404. In one embodiment, the method 400 has the method steps 420, 430, 432, 434, 436, 442, 446, 448 and 480 as well as the method conditions 410 and 416. Method 400 begins at method start 402 and ends at method end 404.
Dabei kann in einigen Varianten ein Messaufbau gemäß der Erfindung, insbesondere ein bezüglich Fig. 9 beschriebener Messaufbau, verwendet werden. In this case, in some variants, a measurement setup according to the invention, in particular a measurement setup described with reference to FIG. 9, can be used.
Im Verfahrensschritt 420 wird ein Festkörperelement mit einer Vielzahl an NV-Zentren in dem zu bestimmenden Magnetfeld angeordnet. Ein solches Magnetfeld kann etwa in einigen Varianten durch ein zu untersuchendes Objekt erzeugt werden. Auch kann in einigen Varianten ein solches Magnetfeld - etwa mit einer Einrichtung zum Erzeugen von Wirbelströmen - in dem zu untersuchenden Objekt induziert werden. So kann in einigen Varianten das Verfahren zur Untersuchung eines metallischen Werkstücks - etwa bei Herstellung oder Verarbeitung mit 3-D Druck, Schweißen oder einem Gussverfahren - verwendet werden. In method step 420, a solid-state element with a plurality of NV centers is arranged in the magnetic field to be determined. Such a magnetic field can be generated in some variants by an object to be examined. In some variants, such a magnetic field can also be induced in the object to be examined, for example with a device for generating eddy currents. In some variants, the method can be used to examine a metallic workpiece - for example when manufacturing or processing with 3-D printing, welding or a casting process.
Im Verfahrensschritt 430 wird das Festkörperelement mittels eines Konfokalmikroskops dreidimensional abgerastert. Dazu werden im Verfahrensschritt 430 die Verfahrensschritte 432, 434 und 436 iterativ ausgeführt bis gemäß Verfahrensbedingung 410 eine ausreichende Anzahl an Volumenelementen im Festkörperelement und damit / bzw. eine ausreichende Anzahl an NV-Zentren der Vielzahl an NV-Zentren erfasst worden ist. In method step 430, the solid element is scanned three-dimensionally by means of a confocal microscope. For this purpose, in method step 430, method steps 432, 434 and 436 are carried out iteratively until, in accordance with method condition 410, a sufficient number of volume elements in the solid element and thus / or a sufficient number of NV centers of the multitude of NV centers has been recorded.
Im Verfahrensschritt 432 wird ein erster bzw. bei weiteren Iterationen ein entsprechender weiterer Fokalpunkt fokussiert und dort ein NV-Zentrum der Vielzahl an NV-Zentren mittels Anregungslicht optisch angeregt. In method step 432, a first or, in the case of further iterations, a corresponding further focal point is focused and there one NV center of the plurality of NV centers is optically excited by means of excitation light.
Im Verfahrensschritt 434 wird Mikrowellenstrahlung zu dem NV-Zentrum ausgestrahlt, welches eine Frequenz zur Anregung der Elektronenspinresonanz des NV-Zentrums hat. In method step 434, microwave radiation is emitted to the NV center, which has a frequency for exciting the electron spin resonance of the NV center.
Im Verfahrensschritt 436 wird ein beim jeweiligen Fokalpunkt durch das NV-Zentrum emittiertes Emissionslicht in Abhängigkeit von der Elektronenspinresonanz erfasst und werden dazu die Verfahrensschritte 442 und 446 für eine Vielzahl an bestimmten Werten eines In method step 436, an emission light emitted by the NV center at the respective focal point is detected as a function of the electron spin resonance, and method steps 442 and 446 are used for a large number of specific values for this purpose
Vormagnetisierungsfeldes, welches sich mit dem zu bestimmenden Magnetfeld überlagert, ausgeführt, wobei die bestimmten Werte eine Stärke sowie eine räumliche Ausrichtung des Vormagnetisierungsfeldes festlegen. The bias field, which is superimposed on the magnetic field to be determined, executed, the determined values defining a strength and a spatial orientation of the bias field.
Im Verfahrensschritt 442 wird das Vormagnetisierungsfeld mit einem Wert der Vielzahl an bestimmten Werten erzeugt. In method step 442, the bias field is generated with one of the plurality of specific values.
Im Verfahrensschritt 446 wird das Emissionslicht des NV-Zentrums beim jeweiligen Fokalpunkt bzw. dessen Änderung für den Wert der Vielzahl an Werten des Vormagnetisierungsfeldes erfasst. In method step 446, the emission light of the NV center at the respective focal point or its change is detected for the value of the plurality of values of the premagnetization field.
Bei Verfahrensbedingung 416 wird überprüft, ob bereits für alle Werte des In process condition 416, it is checked whether all values of the
Vormagnetisierungsfeldes ein Emissionslicht beim jeweiligen Fokalpunkt erfasst worden ist, und sofern dies der Fall ist - symbolisiert durch <y>-, das Verfahren 400 bei Verfahrensbedingung 410 fortgesetzt. Andernfalls, wenn also noch für weitere Werte das Emissionslicht zu erfassen ist - symbolisiert durch <n> -, wird das Verfahren 400 bei Verfahrensschritt 442 für einen Wert der Vielzahl an bestimmten Werten für das Vormagnetisierungsfeld fortgesetzt, für welchen das Emissionslicht am jeweiligen Fokalpunkt noch nicht erfasst worden ist. In einigen Varianten wird das Vormagnetisierungsfeld also über alle bestimmten Werte für das Vormagnetisierungsfeld variiert. Alternativ kann in einigen Varianten das Emissionslicht nur für einen Wert des Bias magnetic field an emission light has been detected at the respective focal point, and if this is the case - symbolized by <y> - the method 400 is continued at method condition 410. Otherwise, if the emission light is to be detected for further values - symbolized by <n> - the method 400 is continued in method step 442 for a value of the plurality of specific values for the bias field for which the emission light at the respective focal point is not yet has been captured. In some variants, the bias field is thus varied across all specific values for the bias field. Alternatively, in some variants, the emission light can only be used for one value of the
Vormagnetisierungsfeldes oder ohne Vormagnetisierungsfeld erfasst werden, womit Bias field or without a bias field are detected, with which
Verfahrensschritt 442 sowie Verfahrensbedingung 416 entfallen kann und Verfahrensschritt 430 Verfahrensschritt 446 entspricht. Bei Verfahrensbedingung 410 wird überprüft, ob eine ausreichende Anzahl an Method step 442 and method condition 416 can be omitted and method step 430 corresponds to method step 446. In method condition 410, a check is made as to whether a sufficient number of
Volumenelementen im Festkörperelement und damit / bzw. eine ausreichende Anzahl an NV- Zentren der Vielzahl an NV-Zentren erfasst worden ist, und sofern dies der Fall ist - symbolisiert durch <y> -, das Verfahren 400 bei Verfahrensschritt 480 fortgesetzt. Andernfalls - symbolisiert durch <n> - wird das Verfahren 400 bei Verfahrensschritt 432 für einen weiteren Fokalpunkt, also insbesondere für einen Fokalpunkt in einem noch nicht abgerasterten Volume elements in the solid element and thus / or a sufficient number of NV centers of the plurality of NV centers has been recorded, and if this is the case - symbolized by <y> - method 400 is continued at method step 480. Otherwise - symbolized by <n> - the method 400 in method step 432 is for a further focal point, that is to say in particular for a focal point in a not yet scanned one
Volumenelement, fortgesetzt. Volume element, continued.
Die jeweils erforderliche Anzahl kann dabei abhängig von der gewünschten räumlichen Auflösung, der Gesamtzahl an NV-Zentren, deren Anordnung und/oder einer Struktur des Magnetfelds sein. So ist etwa für eine geringe räumliche Auflösung und ein weitgehend homogenes Magnetfeld oder ein Magnetfeld mit schwachen Gradienten eine geringere Anzahl an zu erfassenden NV-Zentren erforderlich, als für eine hohe räumliche Auflösung oder ein stark inhomogenes Magnetfeld, bei welchem sich Magnetfeldgradienten auch über kleine Raumabschnitte - etwa über wenige Mikrometer - stark ändern. Zudem kann die erforderliche Anzahl abhängig vom Gesamtvolumen, über welches das Magnetfeld bestimmt werden soll, sein. So ist etwa für ein größeres Volumen eine höhere Anzahl von entsprechend über dieses größere Volumen verteilten Volumenelementen erforderlich als für ein kleineres Volumen, in welchem das Magnetfeld bestimmt werden soll. Die (ausreichende) Anzahl an The number required in each case can depend on the desired spatial resolution, the total number of NV centers, their arrangement and / or a structure of the magnetic field. For example, for a low spatial resolution and a largely homogeneous magnetic field or a magnetic field with weak gradients, a smaller number of NV centers to be recorded is required than for a high spatial resolution or a highly inhomogeneous magnetic field, in which magnetic field gradients also extend over small spatial sections - about a few micrometers - change significantly. In addition, the number required can depend on the total volume over which the magnetic field is to be determined. For example, for a larger volume, a higher number of volume elements correspondingly distributed over this larger volume is required than for a smaller volume in which the magnetic field is to be determined. The (sufficient) number of
Volumenelementen und entsprechend an NV-Zentren wird in einigen Varianten über ein Raster festgelegt. So kann etwa entlang einer ersten Achse durch das Festkörperelement eine erste Schrittweite, entlang einer zweiten Achse eine zweite Schrittweite und entlang einer dritten Achse eine dritte Schrittweite festgelegt werden, wobei die Schrittweiten gleich oder unterschiedlich sein können. So kann etwa die Schrittweite für die erste und die zweite Achse 50 nm betragen und die Schrittweite für die dritte Achse - für die etwa eine geringere räumliche Auflösung erforderlich ist und/oder etwa das Magnetfeld sich im geringeren Maße ändert - 2 pm betragen. Volume elements and, accordingly, at NV centers, are defined in some variants using a grid. For example, a first step size can be defined along a first axis through the solid-state element, a second step size along a second axis and a third step size along a third axis, wherein the step sizes can be the same or different. For example, the step size for the first and second axes can be 50 nm and the step size for the third axis - for which a lower spatial resolution is required and / or the magnetic field changes to a lesser extent - can be 2 pm.
Im Verfahrensschritt 480 wird das Magnetfeld basierend auf dem jeweils bei den NV-Zentren emittierten Licht bestimmt. Dazu wird bei Varianten, bei welchen ein Vormagnetisierungsfeld variiert wird, Verfahrensschritt 448 ausgeführt. Im Verfahrensschritt 448 wird ein Magnetfeld- Vektor bestimmt, indem zunächst anhand der Abhängigkeit des beim jeweiligen Fokalpunkt vom jeweiligen NV-Zentrum emittierten Emissionslicht von der Elektronenspinresonanz ein jeweils dort wirkendes lokales Magnetfeld, also insbesondere eine dort wirkende lokale In method step 480, the magnetic field is determined based on the light emitted in each case at the NV centers. To this end, method step 448 is carried out in the case of variants in which a bias field is varied. In method step 448, a magnetic field vector is determined by initially using the dependence of the emission light emitted at the respective focal point from the respective NV center on the electron spin resonance to apply a local magnetic field, in particular a local magnetic field
Magnetfeldstärke bestimmt wird und dann basierend auf einer Änderung dieser dort lokal wirkenden lokalen Magnetfeldstärke für verschiedene Stärken und Ausrichtungen des Magnetic field strength is determined and then based on a change in this locally Acting local magnetic field strength for different strengths and orientations of the
Vormagnetisierungsfeldes, welches sich dort mit dem lokalen Magnetfeld überlagert, ein jeweiliger Magnetfeld-Vektor bestimmt wird. So nimmt etwa die dort insgesamt wirkende lokale Magnetfeldstärke ab, wenn das zu untersuchende Magnetfeld und das Vormagnetisierungsfeld sich dort destruktiv überlagern - also eine entgegengesetzte Richtung aufweisen. Entsprechend wird bei Varianten ohne Vormagnetisierungsfeld das Magnetfeld bzw. seine Stärke basierend auf dem Emissionslicht und dessen Abhängigkeit von der Elektronenspinresonanz bestimmt. In einigen Varianten kann für die Abhängigkeit von der Elektronenspinresonanz auch die Bias magnetic field, which is superimposed there with the local magnetic field, a respective magnetic field vector is determined. For example, the overall local magnetic field strength acting there decreases if the magnetic field to be examined and the bias magnetic field are destructively superimposed there - i.e. have opposite directions. Correspondingly, in variants without a bias field, the magnetic field or its strength is determined based on the emission light and its dependence on the electron spin resonance. In some variants, the dependence on the electron spin resonance can also be the
Frequenz der Mikrowellenstrahlung variiert werden. Frequency of the microwave radiation can be varied.
In einigen Varianten werden nach Verfahrensschritt 480 Daten, die das Magnetfeld In some variants, after method step 480, data relating to the magnetic field
kennzeichnen - etwa ein Vektormodell des Magnetfelds -, in einer Speichervorrichtung gespeichert oder an einer Benutzerschnittstelle eine Darstellung davon ausgegeben. identify - for example a vector model of the magnetic field - stored in a storage device or a representation thereof output at a user interface.
Das Verfahren 400 kann für weitere zu untersuchende Objekte bzw. für weitere zu The method 400 can be used for further objects to be examined or for further ones
untersuchende Magnetfelder bei Verfahrensschritt 420 beginnend wiederholt werden. investigating magnetic fields are repeated beginning at method step 420.
In einigen Varianten kann das Verfahren 400 auch einen oder mehrere Kalibrierungsschritte aufweisen, bei welchen für das Festkörperelement oder für ein weiteres Festkörperelement ein an jeweiligen Volumenelementen ausgestrahltes Licht bestimmt wird, wobei eines oder mehrere bestimmte Vormagnetisierungsfelder erzeugt werden und/oder übrige Magnetfelder In some variants, the method 400 can also have one or more calibration steps in which a light emitted at respective volume elements is determined for the solid-state element or for a further solid-state element, one or more specific bias fields being generated and / or other magnetic fields
abgeschirmt werden. Auch kann dabei zunächst ausgestrahltes Licht ohne Anregung von NV- Zentren bestimmt werden, um ein Hintergrundrauschen zu bestimmen und etwaig dieses Hintergrundrauschen von einem später erfassten Licht, welches sowohl Anteile von be shielded. Light emitted initially can also be determined without excitation of NV centers in order to determine a background noise and possibly this background noise from a later detected light, which both components of
Hintergrundrauschen als auch von Emissionslicht aufweist, zu subtrahieren. Has background noise as well as emission light to subtract.
Während einige Ausführungsbeispiele bezüglich eines oder mehrerer [NV]_ - Zentren beschrieben wurden, kann der Fachmann diese auch für weitere NV-Zentren anpassen. So wird etwa in einigen Abwandlungen mit einer sogenannten„hexagonal lattice site Silicon vacancy (VSi)“ als Anregungslicht ein Licht mit einer Wellenlänge von höchstens 861 nm, also etwa ein Anregungslicht mit einer Wellenlänge von 730 nm mit einer Laserdiode erzeugt und als Licht aus dem Raumbereich bzw. aus dem jeweils ausgewählten Raumabschnitt, insbesondere also das Emissionslicht für eine Wellenlänge wenigstens im Bereich zwischen 875 nm und 890 nm erfasst sowie als Mikrowellenstrahlung eine Mikrowellenstrahlung mit einer Frequenz im Bereich von 4,5 MHz erzeugt. Mit dem Obenstehenden ergeben sich auch die folgenden Ausführungen und/oder sind mit dem Obenstehenden beispielhaft ausgeführt. While some exemplary embodiments have been described with respect to one or more [NV] _ centers, those skilled in the art can also adapt these for other NV centers. For example, in some modifications with a so-called "hexagonal lattice site silicon vacancy (VSi)", a light with a wavelength of at most 861 nm, i.e. an excitation light with a wavelength of 730 nm, is generated with a laser diode and as light from the Spatial area or from the respectively selected spatial section, in particular the emission light for a wavelength at least in the range between 875 nm and 890 nm, and a microwave radiation with a frequency in the range of 4.5 MHz is generated as microwave radiation. With the above, the following statements also result and / or are exemplified with the above.
In einigen Ausführungsformen des Objektivs besteht eine Frontlinse des Objektivs aus dem Festkörperelement oder weist das Festkörperelement auf. Ein Vorteil der Frontlinse aus dem Festkörperelement kann insbesondere darin liegen, dass keine Übergänge zwischen verschiedenen Materialien in der Frontlinse erforderlich sind, wodurch sich die In some embodiments of the objective, a front lens of the objective consists of the solid-state element or has the solid-state element. One advantage of the front lens made from the solid-state element can in particular be that no transitions are required between different materials in the front lens, which means that
Abbildungsqualität steigern lässt. Zudem lässt sich durch das somit in der Frontlinse angeordnete wenigstens eine NV-Zentrums ein optischer Aufbau des Objektivs und somit dessen Herstellung vereinfachen. Image quality can be increased. In addition, the at least one NV center thus arranged in the front lens makes it possible to simplify an optical structure of the lens and thus its manufacture.
In einigen Ausführungsformen ist eine Linse des Objektivs mit dem Festkörperelement integral und optisch durchlässig verbunden, wodurch sich insbesondere die Abbildungsqualität steigern lässt. In some embodiments, a lens of the objective is connected integrally and optically permeable to the solid-state element, whereby the image quality can in particular be increased.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Festkörperelement Diamant oder besteht daraus. Dabei weist der Diamant ein Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum als das wenigstens eine NV- Zentrum auf. Ein Vorteil des Stickstoff-Fehlstellen Zentrums kann insbesondere darin liegen, dass dieses weitgehend bekannte Eigenschaften hat und sich somit - insbesondere in der kommerziellen Anwendung - besonders gut für die magnetfeldabhängige optische Detektion eignet. In some embodiments, the solid-state element comprises or consists of diamond. The diamond has a nitrogen vacancy center as the at least one NV center. One advantage of the nitrogen void center can in particular be that it has largely known properties and is therefore particularly well suited for magnetic field-dependent optical detection, especially in commercial use.
In einigen Ausführungsformen ist das Festkörperelement oder ist eine Linse mit dem In some embodiments, the solid-state element is or is a lens with the
Festkörperelement auf einer bezüglich des Strahlengangs dem Mikroskop zugewandten Seite semisphärisch geformt, wodurch sich insbesondere die Lichtausbeute, also insbesondere die Ausbeute von Emissionslicht von dem wenigstens einen NV-Zentrums steigern lässt. Solid-state element shaped semispherically on a side facing the microscope with respect to the beam path, whereby in particular the light yield, ie in particular the yield of emission light from the at least one NV center, can be increased.
Bei einigen Ausführungsformen, bei welchen eine Linse oder das Festkörperelement semisphärisch geformt ist, weist das Objektiv ein optisches Element auf, das im Strahlengang eingerichtet ist, eine sphärische Aberration aufgrund der semisphärisch geformten Linse bzw. des semisphärisch geformten Festkörperelements zu kompensieren. In some embodiments in which a lens or the solid-state element is semispherically shaped, the objective has an optical element which is set up in the beam path to compensate for a spherical aberration due to the semispherically shaped lens or the semispherically shaped solid-state element.
Bei einigen Ausführungsformen, insbesondere welche ein semisphärisch geformtes In some embodiments, particularly those which are semispherically shaped
Festkörperelement oder eines semisphärisch geformt Linse aufweisen, sind das Solid-state element or a semi-spherically shaped lens are those
Festkörperelement bzw. diese Linse sowie ein optisches Element zur Kompensation einer sphärischen Aberration aus dem Strahlengangs entfernbar. In einigen Ausführungsformen weist die Vorrichtung mit einer Mikrowellenantennenanordnung - etwa das Objektiv, die Vorrichtung mit dem Diamantplättchen oder ein Objektträger für Solid-state element or this lens and an optical element for compensating for a spherical aberration can be removed from the beam path. In some embodiments, the device has a microwave antenna arrangement - for example the objective, the device with the diamond plate or a slide for
Mikroskop - oder das Objektiv ohne Mikrowellenantennenanordnung eine Microscope - or the lens without a microwave antenna arrangement
Magnetfeldeinrichtung auf, die eingerichtet ist, statisches oder niederfrequentes Magnetic field device that is set up static or low frequency
Vormagnetisierungsfeld zu erzeugen. Generate bias field.
In einigen Ausführungsformen ist die Mikrowellenantennenanordnung eingerichtet, In some embodiments, the microwave antenna arrangement is configured
Mikrowellenstrahlung im Gigahertz-Bereich für eine Elektronenspinresonanz bei wenigstens einem NV-Zentrum sowie elektromagnetische Strahlung im Megahertz-Bereich zum Erzeugen von Wirbelströmen in einem Testobjekt auszustrahlen. To emit microwave radiation in the gigahertz range for electron spin resonance in at least one NV center and electromagnetic radiation in the megahertz range for generating eddy currents in a test object.
In einigen Ausführungsformen ist das Festkörperelement des Objektivs bzw. das In some embodiments, the solid-state element of the lens or the
Diamantplättchen mit einer reflektierenden Beschichtung beschichtet, welche für ein Licht zum Anregen der NV-Zentren oder für ein Licht, das die NV-Zentren aufgrund deren Anregung emittieren, reflektierend ist. Diamond platelets are coated with a reflective coating which is reflective for a light for exciting the NV centers or for a light that the NV centers emit due to their excitation.
In einigen Ausführungsformen ist das Festkörperelement des Objektivs bzw. das In some embodiments, the solid-state element of the lens or the
Diamantplättchen mit einer für das emittierte Licht antireflektierenden Beschichtung beschichtet. Diamond platelets coated with an anti-reflective coating for the light emitted.
In einigen Ausführungsformen ist das Objektiv als Spiegelobjektiv ausgebildet. In some embodiments, the objective is designed as a mirror objective.
In einigen Ausführungsformen weist das Verfahren zur dreidimensionalen Bestimmung eines Magnetfelds weiterhin auf: ein Variieren eines Vormagnetisierungsfeldes, welches sich mit dem zu bestimmenden Magnetfeld überlagert; ein Erfassen einer Variation des jeweils emittierten Lichts beim Abrastern aufgrund des variierenden Vormagnetisierungsfeldes; sowie ein In some embodiments, the method for three-dimensional determination of a magnetic field further comprises: varying a bias magnetic field, which is superimposed on the magnetic field to be determined; detecting a variation of the light emitted in each case during scanning due to the varying bias field; as well as a
Bestimmen von Magnetfeld-Vektoren bei den NV-Zentren basierend auf der Variation des emittierten Lichts. Auf diese Vorteilhafterweise lässt sich das Magnetfeld als dreidimensionales Vektorfeld bestimmen. Determine magnetic field vectors at the NV centers based on the variation of the emitted light. In this way, the magnetic field can advantageously be determined as a three-dimensional vector field.
Die vorgenannten Vorrichtungen und Verfahren zur magnetfeldabhängigen optischen Detektion lassen sich vorteilhaft in einigen Varianten für folgendes verwenden: Eine dreidimensionale Bestimmung von Magnetfeldern in der Verfahrenssteuerung, wobei vorteilhaft magnetische Felder im Vergleich zu elektrischen Feldern meist nur schwach von Materialien abgeschirmt werden; somit lässt sich in der Verfahrenssteuerung - etwa bei der Herstellung von Produkten - über die dreidimensionale Bestimmung von Magnetfeldern eine Materialzusammensetzung eines in einem mit der Verfahrenssteuerung gesteuerten Herstellungsverfahren hergestellten Produkts unterhalb dessen Oberfläche, also im Produkt selbst und nicht nur oberflächlich bestimmen; wenn etwa das Material des Produkts teilweise magnetisch, magnetisierbarer oder elektrisch leitfähig ist, lassen sich statische Magnetfelder und/oder Wirbelströme erfassen und zur Verfahrenssteuerung verwenden; dabei ermöglicht insbesondere ein solches Verfahren mit konfokaler Mikroskopie eine besonders hohe räumliche Auflösung, einschließlich einer Auflösung in die Tiefe des zu untersuchenden Produkts bzw. Materials; dabei lässt sich eine räumliche Auflösung erzielen, welche etwa bei einem Festkörperelement umfassend Diamant zumindest für Abstände, die größer als 1 pm sind, etwa dem Abstand des Festkörperelements vom zu untersuchenden Produkt entspricht. Entsprechend lässt sich die dreidimensionale Bestimmung von Magnetfeldern auch zur Qualitätskontrolle in einem 3-D-Druck-Verfahren, beim Schweißen oder bei einem Gussverfahren verwenden. Weiter lässt sich die The aforementioned devices and methods for magnetic field-dependent optical detection can advantageously be used in some variants for the following: A three-dimensional determination of magnetic fields in the process control, with magnetic fields being advantageously only weakly shielded by materials compared to electrical fields; Thus, in process control - for example in the manufacture of products - a material composition can be determined via the three-dimensional determination of magnetic fields determine a product produced in a production process controlled by the process control below its surface, that is to say in the product itself and not just on the surface; If, for example, the material of the product is partially magnetic, magnetizable or electrically conductive, static magnetic fields and / or eddy currents can be detected and used for process control; In particular, such a method with confocal microscopy enables a particularly high spatial resolution, including a resolution into the depth of the product or material to be examined; In this way, a spatial resolution can be achieved which, for example in the case of a solid-state element comprising diamond, corresponds approximately to the distance between the solid-state element and the product to be examined, at least for distances greater than 1 μm. Correspondingly, the three-dimensional determination of magnetic fields can also be used for quality control in a 3-D printing process, during welding or during a casting process. The
magnetfeldabhängige optische Detektion für die Biosensorik oder für die Analyse von elektronischen Schaltkreisen einsetzten, wobei vorteilhaft die Fluoreszenz über das Magnetfeld gesteuert werden kann. Dabei sind in einigen Varianten auch ein hoher dynamischer Bereich und/oder eine hohe Sensitivität der Fluoreszenz bezüglich des Magnetfelds vorteilhaft. Dabei lässt sich für eine Bestimmung eines Magnetfelds bzw. einer Magnetfeldstärke eine Sensitivität von etwa 109 bis 10 12 Tesla/sqrt(Hz) bezüglich einer Variation der eingestrahlten Use magnetic field-dependent optical detection for biosensors or for the analysis of electronic circuits, whereby the fluorescence can advantageously be controlled via the magnetic field. In some variants, a high dynamic range and / or a high sensitivity of the fluorescence with respect to the magnetic field are also advantageous. A sensitivity of approximately 10 9 to 10 12 Tesla / sqrt (Hz) with respect to a variation of the irradiated can be used for determining a magnetic field or a magnetic field strength
Mikrowellenstrahlung erzielen. Achieve microwave radiation.
Während Ausführungsbeispiele, Anwendungsmöglichkeiten und Anwendungsbeispiele insbesondere unter Bezugnahme auf die Figuren detailliert beschrieben wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen und Anwendungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendung und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung und/oder Anwendung von mindestens einem Ausführungsbeispiel gegeben, wobei diverse Abwandlungen, insbesondere alternative oder zusätzliche Merkmale und/oder Abwandlungen der Funktion und/oder Anordnungen der beschriebenen Bestandteile, nach Wunsch des Fachmanns vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seiner rechtlichen While exemplary embodiments, possible applications and application examples have been described in detail, in particular with reference to the figures, it should be pointed out that a large number of modifications are possible. It should also be pointed out that the exemplary designs and applications are merely examples that are not intended to limit the scope of protection, the application and the structure in any way. Rather, the preceding description provides the person skilled in the art with guidelines for the implementation and / or application of at least one exemplary embodiment, with various modifications, in particular alternative or additional features and / or modifications of the function and / or arrangements of the described components, as desired by the person skilled in the art can be made without losing any of the subject matter specified in the attached claims or its legal
Äquivalente abgewichen wird und/oder deren Schutzbereich verlassen wird. Equivalents are deviated from and / or the scope of protection is left.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren (400) zur dreidimensionalen Bestimmung eines Magnetfelds, aufweisend: 1. Method (400) for three-dimensional determination of a magnetic field, comprising:
- (420) Anordnen eines Festkörperelements mit einer Vielzahl an NV-Zentren in dem zu bestimmenden Magnetfeld; - (420) arranging a solid-state element with a plurality of NV centers in the magnetic field to be determined;
- (430) Dreidimensionales Abrastern des Festkörperelements mittels eines - (430) Three-dimensional scanning of the solid-state element by means of a
Konfokalmikroskops und dabei jeweils: Confocal microscope and each:
-- (432) Anregen eines oder mehrerer NV-Zentren der Vielzahl an NV-Zentren bei einem jeweiligen Fokalpunkt; - (432) exciting one or more NV centers of the plurality of NV centers at a respective focal point;
-- (434) Ausstrahlen von Mikrowellenstrahlung für eine Elektronenspinresonanz bei den jeweiligen NV-Zentren; sowie - (434) radiating microwave radiation for electron spin resonance at the respective NV centers; such as
-- (436) Erfassen von beim jeweiligen Fokalpunkt durch die NV-Zentren emittierten Licht in Abhängigkeit von der Elektronenspinresonanz; und - (436) detecting light emitted at the respective focal point by the NV centers as a function of the electron spin resonance; and
- (480) Bestimmen des Magnetfelds basierend auf dem jeweils bei den NV-Zentren emittierten Licht und dessen Abhängigkeit von der Elektronenspinresonanz. - (480) determining the magnetic field based on the light emitted in each case at the NV centers and its dependence on the electron spin resonance.
2. Verfahren (400) gemäß Anspruch 1 , weiterhin aufweisend: 2. The method (400) according to claim 1, further comprising:
- (442) Variieren eines Vormagnetisierungsfeldes, welches sich mit dem zu - (442) Varying a bias field, which with the to
bestimmenden Magnetfeld überlagert; superimposed determining magnetic field;
- (446) Erfassen einer Variation des jeweils emittierten Lichts beim Abrastern aufgrund des variierenden Vormagnetisierungsfeldes; und - (446) detecting a variation of the light emitted in each case during scanning due to the varying bias field; and
- (448) Bestimmen von Magnetfeld-Vektoren bei den NV-Zentren basierend auf der Variation des emittierten Lichts. - (448) Determining magnetic field vectors at the NV centers based on the variation of the emitted light.
3. Objektiv (100) für ein Mikroskop, aufweisend ein in einem Strahlengang des Objektivs anordenbares Festkörperelement (124) mit wenigstens einem NV-Zentrum (140). 3. Objective (100) for a microscope, having a solid-state element (124) which can be arranged in a beam path of the objective and has at least one NV center (140).
4. Objektiv (100) gemäß Anspruch 3, wobei eine Frontlinse des Objektivs aus dem 4. Objective (100) according to claim 3, wherein a front lens of the objective from the
Festköperelement (124) besteht. Solid element (124) consists.
5. Objektiv (100) gemäß Anspruch 3, wobei eine Linse (122) des Objektivs mit dem Festkörperelement (124) integral und optisch durchlässig verbunden ist. 5. Objective (100) according to claim 3, wherein a lens (122) of the objective with the solid-state element (124) is integrally and optically transparent.
6. Objektiv (100) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Festkörperelement (124) einen Diamanten umfasst und der Diamant ein Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum als das wenigstens eine NV-Zentrum (140) aufweist. 6. The objective (100) according to any one of claims 3 to 5, wherein the solid-state element (124) comprises a diamond and the diamond has a nitrogen vacancy center as the at least one NV center (140).
7. Objektiv (100) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei das Festkörperelement oder eine Linse (122) mit dem Festkörperelement (124) auf einer bezüglich des Strahlengangs dem Mikroskop zugewandten Seite semisphärisch geformt ist. 7. Objective (100) according to one of claims 3 to 6, wherein the solid-state element or a lens (122) with the solid-state element (124) is semispherically shaped on a side facing the microscope with respect to the beam path.
8. Objektiv (100) gemäß Anspruch 7, welches ein optisches Element (128) aufweist, das im Strahlengang eingerichtet ist, eine sphärische Aberration aufgrund des semisphärisch geformten Festkörperelements bzw. der semisphärisch geformten Linse (122) zu 8. The objective (100) according to claim 7, which has an optical element (128) which is set up in the beam path to cause a spherical aberration due to the semispherically shaped solid-state element or the semispherically shaped lens (122)
kompensieren. compensate.
9. Objektiv (100) gemäß Anspruch 8, wobei das Festkörperelement (124) und das optische Element (128) aus dem Strahlengang entfernbar sind. 9. Objective (100) according to claim 8, wherein the solid-state element (124) and the optical element (128) can be removed from the beam path.
10. Vorrichtung (100, 200) mit einer Mikrowellenantennenanordnung (280), wobei die Vorrichtung ein Diamantplättchen (240) mit wenigstens einem NV-Zentrum (140) aufweist, ein Objektiv (100) für ein Mikroskop, insbesondere gemäß einem der Ansprüche 3 bis 9, ist oder ein Objektträger für ein Mikroskop ist. 10. Device (100, 200) with a microwave antenna arrangement (280), the device having a diamond plate (240) with at least one NV center (140), an objective (100) for a microscope, in particular according to one of claims 3 to 9, or is a slide for a microscope.
11. Vorrichtung (100, 200) gemäß Anspruch 10, weiterhin aufweisend eine 11. The device (100, 200) according to claim 10, further comprising a
Magnetfeldeinrichtung (180), die eingerichtet ist, ein statisches oder niederfrequentes Magnetic field device (180) which is set up to be static or low-frequency
Vormagnetisierungsfeld zu erzeugen. Generate bias field.
12. Vorrichtung (100, 200) gemäß Anspruch 10 oder 11 , wobei die 12. The device (100, 200) according to claim 10 or 11, wherein the
Mikrowellenantennenanordnung (280) eingerichtet ist, Mikrowellenstrahlung im Gigahertz- Bereich für eine Elektronenspinresonanz bei wenigstens einem NV-Zentrum (140) sowie elektromagnetische Strahlung im Megahertz-Bereich zum Erzeugen von Wirbelströmen in einem Testobjekt auszustrahlen. Microwave antenna arrangement (280) is set up to emit microwave radiation in the gigahertz range for electron spin resonance at at least one NV center (140) and electromagnetic radiation in the megahertz range for generating eddy currents in a test object.
13. Objektiv (100) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 9 oder Vorrichtung (200) mit dem Diamantplättchen gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Festkörperelement (124) des Objektivs bzw. das Diamantplättchen (240) mit einer reflektierenden Beschichtung (245) beschichtet ist, welche für ein Licht zum Anregen der NV-Zentren oder für ein Licht, das die NV- Zentren (140) aufgrund deren Anregung emittieren, reflektierend ist. 13. Objective (100) according to one of claims 3 to 9 or device (200) with the diamond plate according to one of claims 10 to 12, wherein the solid-state element (124) of the objective or the diamond plate (240) with a reflective coating (245 ) is coated, which is reflective for a light to excite the NV centers or for a light that the NV centers (140) emit due to their excitation.
14. Objektiv (100) oder Vorrichtung (200) mit Diamantplättchen gemäß Anspruch 13, welches weiterhin mit einer für das emittierte Licht antireflektierenden Beschichtung (244) beschichtet ist. 14. Objective (100) or device (200) with diamond plate according to claim 13, which is further coated with an anti-reflective coating (244) for the emitted light.
15. Objektiv (100) oder Vorrichtung (200) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 14, welches als Spiegelobjektiv ausgebildet ist. 15. Lens (100) or device (200) according to one of claims 3 to 14, which is designed as a mirror lens.
16. Mikroskop (300), welches für 2-Pi oder 4-Pi Mikroskopie eingerichtet ist und in einem Fokalpunkt ein Festkörperelement (124, 240) mit wenigstens einem NV-Zentrum (140) aufweist. 16. A microscope (300) which is set up for 2-pi or 4-pi microscopy and has a solid-state element (124, 240) with at least one NV center (140) in a focal point.
17. Verwendung eines Mikroskops (300) gemäß Anspruch 15 oder eines Mikroskops mit einem Objektiv (100) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 9 oder 13 bis 15 oder mit einer Vorrichtung (200) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei das Mikroskop zur 17. Use of a microscope (300) according to claim 15 or a microscope with an objective (100) according to one of claims 3 to 9 or 13 to 15 or with a device (200) according to one of claims 10 to 15, wherein the microscope for
bildgebenden Bestimmung eines Magnetfelds basierend auf einer optischen Detektion einer Elektronenspinresonanz bei wenigstens einem NV-Zentrum (140) verwendet wird. imaging determination of a magnetic field based on an optical detection of an electron spin resonance at at least one NV center (140) is used.
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