WO2022013012A1 - Method and device for examining a sample using spin-dependent fluorescence - Google Patents

Method and device for examining a sample using spin-dependent fluorescence Download PDF

Info

Publication number
WO2022013012A1
WO2022013012A1 PCT/EP2021/068670 EP2021068670W WO2022013012A1 WO 2022013012 A1 WO2022013012 A1 WO 2022013012A1 EP 2021068670 W EP2021068670 W EP 2021068670W WO 2022013012 A1 WO2022013012 A1 WO 2022013012A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
spin
dependent
time
fluorescence
information
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/068670
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Nils Trautmann
Original Assignee
Carl Zeiss Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss Ag filed Critical Carl Zeiss Ag
Publication of WO2022013012A1 publication Critical patent/WO2022013012A1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6408Fluorescence; Phosphorescence with measurement of decay time, time resolved fluorescence
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6489Photoluminescence of semiconductors
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/1717Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with a modulation of one or more physical properties of the sample during the optical investigation, e.g. electro-reflectance
    • G01N2021/1727Magnetomodulation

Definitions

  • the present application relates to methods and devices for examining a sample with spin-dependent fluorescence.
  • spin systems can serve as so-called quantum bits, with a spin state corresponding to a value of the quantum bit.
  • One candidate for such spin systems are defect centers such as nitrogen vacancy centers (NVC for short) in a diamond structure, which have spin states with a long coherence time. Such systems are sometimes also referred to as color centers.
  • the spin state of such defect centers can be manipulated, for example, using microwave fields or magnetic fields and then read out optically.
  • defect centers can also be used as probes in microscopy, as is described, for example, in the applicant's German patent applications DE 102019 119213.7 and DE 102019 119212.9.
  • FIG. 1 A level diagram of a nitrogen vacancy center is shown in FIG. 1 shows a basic triplet state 3 A2 and an excited triplet state 3 E, which each have three possible spin states
  • -1> each depend on an applied magnetic field.
  • -1> can take place, for example, via microwave radiation, as indicated by an arrow 10, or through the influence of a magnetic field.
  • an excitation can be effected in the excited state as illustrated by arrows 11 3 E, for example by means of optical excitation.
  • a green laser with a wavelength of 532 nm can be used for this excitation.
  • a radiant transition to the ground state can then be performed as indicated by arrows 12 from the excited state 3 E.
  • the wavelength of this optical emission is 637 nm for the transition between the spin states
  • a transition can occur from the excited state 3 E to a metastable state 1 E as represented by an arrow 13, this transition being non-radiative.
  • the probability of the transition from state 3 E to state 1 E according to arrow 13 is higher for the spin states
  • FIG. 2 shows normalized fluorescence intensity versus spin angle, where spin angle expresses a proportion of spin
  • psi> cos (phi/2)
  • a curve 20 shows a behavior for so-called integrated detection
  • a curve 21 shows a behavior for so-called "gated” detection (more precisely also referred to as time-gated detection or time window detection), wherein in both cases the fluorescence is lower for a spin angle of TT, corresponding to spin states
  • the fluorescence signal is integrated over an entire period of time in which fluorescence is present, while in the case of gated detection it is only detected over a limited period of time.
  • a continuous wave (cw) laser can excite the nitrogen vacancy centers throughout to fluoresce.
  • the Spin state manipulated, for example by irradiating appropriate microwave pulses or by applying magnetic fields.
  • the intensity of the fluorescence signal which is integrated over a certain period of time, then provides information about the spin state.
  • the disadvantage of this approach is that the laser used to excite the fluorescence perturbs the spin state while it is being manipulated, for example, by microwave pulses. This spin state perturbation can severely reduce the performance of a system based on nitrogen vacancy centers. If the nitrogen vacancy centers are used to measure magnetic fields, for example, this reduces the sensitivity.
  • pulsed reading the manipulation of the spin and the irradiation of a laser to read the spin are separated in time.
  • the course of such a measurement is shown in FIG.
  • a curve 30 schematically shows laser irradiation over time, and a curve 31 microwave irradiation over time.
  • first pump pulse 32 with a duration t1.
  • the spin is manipulated using a microwave pulse 34 .
  • another type of manipulation e.g. magnetic manipulation, of the spin can also be carried out.
  • a duration of the microwave pulse 34 is tm. tl and tm can be of the order of 1 ps, for example.
  • a further laser pulse 33 for reading out the spin state takes place after the microwave pulse 34, which can also have a duration t1 or a duration that deviates therefrom.
  • FIG. 4 shows examples of fluorescence signals over time that can be generated with the pulsed readout of FIG.
  • a curve 41 shows an example for the spin state 0>
  • a curve 42 shows the profile for the spin state
  • +1> spin state would be similar to the curve for the
  • the difference in intensity between curves 41 and 42 decreases over time. If the integration is now carried out over the entire time period (eg 0 to 1000 ns in FIG. 4), then there is a relatively small difference between the integrated intensities, as can also be seen in curve 20 in FIG. Therefore, gated detection is used in many cases. Here an integration only takes place in a certain time window, which indicated by the reference numeral 40 in FIG. The measured signal is then only integrated in this time window. This results in a clearer difference between different spin states, as is also illustrated by curve 21 in FIG. The integrated intensity can then be compared to one or more threshold values, for example, in order to infer a spin state.
  • the suitable selection of the time window 40 then also represents a problem. If the time window is selected too short, too few photons are detected and the noise relative to the signal is thus increased. If the time window selected is too long, the result is that the signal is also integrated at times when signals 41 and 42 do not differ or differ only slightly. As a result, no additional information is obtained through further integration, but photons continue to be collected, which contribute to the overall noise with their Poisson noise, but no relevant signal, which indicates the signal-to-noise ratio short SNR) deteriorated.
  • Such gated detection can also be used in the case of continuous excitation.
  • the time window is not selected in relation to the switching on of the laser, because it is on continuously, but in relation to the microwave pulses radiated in or other manipulation of the spins. The problem is otherwise similar here.
  • a method for examining a sample comprising: measuring a spin-dependent fluorescence from the sample, and
  • Information about the course of time means that not only the integral is used over a period of time, but is actually used in the measurement or evaluation of how the fluorescence signal decreases, decreases or otherwise develops over time. By using information about the course over time, this information is additionally available and can be used to improve the measurement or to evaluate the measurement.
  • the information about the spin-dependent course can be based on properties of fluorescence-emitting components of the sample, for example on decay rates of (spin) states of such components
  • the information about the time-dependent profile can be based on calibration measurements of the sample in a first spin state and a second spin state that is different from the first spin state. This does not rule out the possibility that other spin states are present and involved. The information can then also be based on calibration measurements of the sample in a third spin state, which is different from the first and second spin state, etc.
  • the sample may contain nitrogen vacancy centers in a diamond structure, e.g., as the fluorescence-emitting components mentioned above.
  • Carrying out the measurement using information about the time-dependent profile can include calibrating a measuring device used for the measurement on the basis of the information.
  • calibrating the measuring device can include calibrating a beginning of an integration of a signal obtained during measurement relative to a beginning of a laser pulse for exciting the sample on the basis of a beginning of an increase in the spin-dependent fluorescence.
  • timing jitter can be reduced, i.e. inaccuracies or noise that result from a time offset between the start of the measurement and the laser pulses.
  • Evaluating the measurement using the information about the time-dependent course include obtaining information about a spin state of the sample based on the information about the time-dependent course.
  • Evaluating the measurement using the time-dependent history information includes weighting the measurement with a weighting function based on the time-dependent history information.
  • the sample can have one or more fluorescence centers, each fluorescence center being in a first spin state or in at least one second spin state, and the weighting function being a function of a time-dependent curve of a fluorescence intensity for the first spin state and a time-dependent curve is the fluorescence intensity for the at least one second spin state.
  • the weighting function w(t) can be given by be given, where l
  • the normalization factor c can be be given.
  • the sample may have one or more fluorescence centers, eg the nitrogen vacancy centers mentioned above, each fluorescence center being in a first spin state or in a second spin state, and the information about the time-dependent course includes a time-dependent course of a fluorescence intensity for the first spin state and a time-dependent profile of the fluorescence intensity for the at least one second spin state.
  • fluorescence centers eg the nitrogen vacancy centers mentioned above, each fluorescence center being in a first spin state or in a second spin state
  • the information about the time-dependent course includes a time-dependent course of a fluorescence intensity for the first spin state and a time-dependent profile of the fluorescence intensity for the at least one second spin state.
  • a measuring device for examining a sample comprising: a detector for measuring a spin-dependent fluorescence from the sample, and a control/evaluation device for controlling the measurement of the spin-dependent fluorescence and for evaluating the measurement, the device being set up to Evaluate the measurement and optionally also carry out the measurement using information about the time-dependent course of the spin-dependent fluorescence.
  • Evaluating the measurement using the time-dependent history information includes weighting the measurement with a weighting function based on the time-dependent history information.
  • the device can further comprise a light source for exciting the sample.
  • the device may further comprise a microwave emitter and/or a magnetic field device for manipulating a spin state of the sample.
  • the device can be set up to carry out one of the methods described above.
  • a computer program will also be provided, e.g. on a tangible storage medium, with which the evaluation of the measurement based on the information about the time-dependent course (e.g. weighting) is carried out according to the methods described above.
  • the time-dependent course e.g. weighting
  • Fig. 2 fluorescence intensities for different spin angles with different types of detection
  • Fig. 3 signals for the pulsed readout of a nitrogen vacancy center
  • FIG. 5 shows a block diagram of a device according to an embodiment
  • FIG. 6 shows a flow chart to illustrate methods according to some exemplary embodiments
  • FIG. 8 shows a weighting function according to an embodiment in comparison with gated detection.
  • nitrogen vacancy centers in diamond are used as an example of samples or components of samples showing spin-dependent fluorescence.
  • the techniques described below are also applicable to other cases where spin-dependent fluorescence occurs, such as other defect centers. Examples of this are silicon defects in SiC, as described in D. Reidel et al. , "Resonant addressing and manipulation of Silicon vacancy qubits in Silicon Carbide", arXiv1210.0505v1, or defects in 2D materials, as in A. Gottscholl et al., "Room Temperature Initialization and Readout of Intrinsic Spin Defects in a Van der Waals Crystal”, arXiv: 1906.03774.
  • fluorescence differs between 2 spin states, e.g.
  • the techniques and approaches presented here which use information about the time-dependent course of the fluorescence, are also applicable to systems and samples in which three or more different spin states with different fluorescence behavior are present.
  • FIG. 5 shows a measuring device according to an exemplary embodiment, which is set up to measure a spin-dependent fluorescence from a sample 54 .
  • the sample 54 can have nitrogen vacancy centers as fluorescence centers, for example.
  • the device of FIG. 5 has a laser 51 for optically exciting the sample 54 and a detector 53 for detecting fluorescence from the sample 54 .
  • the laser 51 can be, for example, a laser with a wavelength of 532 nm, for example a Nd:YAG Laser.
  • the detector 53 can be any type of detector set up to detect a wavelength corresponding to the fluorescence of the sample 54 (in the range of 637 nm for nitrogen vacancy centers), for example a semiconductor-based detector. Any conventional laser 51 and detector 53 used for such fluorescence measurements can be used.
  • the measuring devices include a microwave emitter 52 for manipulating the spin of the sample 54, for example the nitrogen vacancy centers.
  • manipulation can also take place, for example, by means of a magnetic field that is generated with a corresponding magnetic field generating device (e.g. coils, permanent magnets, external magnetic field to be measured, etc.).
  • a control/evaluation device 50 controls the laser 51 and the microwave emitter 52 and receives the signals from the detector 53. Apart from the use of information about the time-dependent course of the fluorescence described below, this control can and evaluating the signals obtained from the detector 53 in a conventional manner as in the conventional approach explained at the outset.
  • the controller 50 can be implemented, for example, by means of a computing device such as a computer or a microcontroller that is programmed accordingly. However, it can also be implemented in other ways, for example using special hardware components such as application-specific integrated circuits (ASICs).
  • ASICs application-specific integrated circuits
  • FIG. 6 shows a flow chart of a method as can be implemented, for example, using the device in FIG. 5 .
  • step 60 the spin-dependent fluorescence of a sample is measured.
  • spins of the sample for example from nitrogen vacancy centers, can be manipulated by means of microwave radiation and/or magnets and read out by means of laser radiation and a detector.
  • the term evaluation is to be understood in general terms and refers to any processing of the raw data supplied by a corresponding detector such as detector 53 .
  • Such an evaluation can, for example, include an integration of the raw data.
  • the evaluation can include determining the spin state of a sample, for example by comparing integrated data with one or more threshold values.
  • the measurement at 60 is modified to be performed using information about the time-dependent course of the spin-dependent fluorescence, and/or the evaluation of the measurement at 65 is modified to be performed using such information. Examples of the modification at 61 are given at 62-64. These various measures can be implemented in combination with one another or individually in various exemplary embodiments.
  • a measuring device used for example the measuring device of FIG. 5, is calibrated on the basis of the information about the time-dependent profile.
  • the time window 40 is started at the beginning of the laser pulse 33 of FIG.
  • this can lead to a so-called timing jitter, for example due to runtime effects (e.g. when the actual start of the laser pulse does not coincide with a nominal start based on a control signal).
  • the information about the course over time can now indicate, for example, when the increase in the fluorescence signal actually begins, and the time window 40 can be started at this beginning.
  • the actual increase indicates when the laser pulse actually begins, which can deviate from a time stored in a controller, for example due to runtime effects.
  • the beginning of the time window 40 can be adjusted accordingly, which can reduce timing jitter.
  • FIG. 7 shows the fluorescence intensity over of time, a curve 70 showing the intensity I for spin
  • the curves of FIG. 7 essentially correspond to the curves of FIG. 4, the curves of FIG. 7 being shown without noise.
  • the curve 70 first rises and then falls, while the curve 71 first rises, then falls and then rises again, ie has a minimum. From a minimum over time, it can be concluded that the spin
  • the measurement is weighted for evaluation.
  • the integral over the measured fluorescence is not simply formed as in conventional methods or, in the case of gated detection, the integral over a specific time window (which can be seen as a simple weighting independent of the course over time, namely, for example, a weight +1 during the time window and a weight of 0 outside the time window), but the weighting function is chosen as a function of time. An example of how such a weighting function can be obtained is explained further below. Before this explanation, various options for obtaining the information about the course over time are discussed.
  • a first possibility is through calibration measurements by bringing the sample into known spin states and then measuring the time course of the fluorescence in each case.
  • a known magnetic field can first be used that polarizes the sample into a spin
  • the measures mentioned above can then be carried out on the basis of these time profiles if unknown spin states are measured later, for example to measure unknown magnetic fields.
  • the advantage of this approach is that there is no precise knowledge of the dynamics of the sample, for example the nitrogen vacancy centers, is necessary.
  • the measuring device can also be calibrated in another way during this measurement.
  • the information about the course over time can be derived from previous knowledge about the respective sample, for example the respective defect center such as a nitrogen vacancy center, for example from previously known decay rates, transition probabilities or the like for the various transitions in FIG. This has the advantage that less measurement time is required.
  • the information about the time profile is the time profile of the fluorescence signals for spin
  • 0> is denoted in the following as l
  • the spin of each defect center is with a certain probability! in the spin state
  • the fluorescence signal over time Im > ( ⁇ ) is given by
  • E[S(I)] l (2) is.
  • An estimator is a functional with which the intensity I can be evaluated over time in such a way that the spin state expressed by l can be determined.
  • An estimator that leads to a good signal-to-noise ratio SNR also has the property that its variance Var[S(l)] is small, which means that a value at or near l is determined with high reliability.
  • the estimator S is a linear functional. In other embodiments, non-linear functionals can also be used. In the case of a linear functional, the most general form of the estimator is given by
  • l(t) has to be determined. Since according to formula (4) Var(/(t)) ⁇ /(t), l(t) can be used to model the ignorance about the system prior to making the measurement in terms of Bayesian statistics. In this specific case, ignorance about the system before the measurement is carried out means that the spin or l is not known before the measurement.
  • Equation (9) gives the intensity l(t) assuming that each spin state is present with a probability of 50%.
  • connection vector mentioned above must be parallel to the normal vector of the plane.
  • the result for the weighting function w(t) is can generally be regarded as the normalization factor c.
  • the weighting function w(t) can be determined.
  • the weighting function w opt (t) is determined according to formula (12), a weighting function which corresponds to conventional gated detection and is referred to here as w gated (t).
  • the time window for gated detection is determined in such a way that the signal-to-noise ratio is maximized.
  • the weighting function w opt (t) is represented in FIG.
  • the weighting function w gated (t) by a curve 81 ie the window here ranges from 0 to a little over 250 ns, after which the weighting function w gated increases (t) has the value 0, i.e. the time window is over.
  • the time profile of fluorescence signals l(t) depends on various parameters, including the laser power and thus the saturation parameter. 9 shows the expected signal improvement (improvement of SNR 2 ) versus the saturation parameter. As can be seen, an improvement of 25% is possible for small laser powers and by 22%, but at least 14%, for high powers. Since it is difficult to increase detection efficiency through hardware improvements and measurement time is valuable, such increases are a great gain in practice.
  • the techniques described above can be used in various applications in which a spin-dependent fluorescence is detected, for example in microscopes for research applications or sensors, for example for measuring magnetic fields. As explained above, the above
  • Embodiments merely represent examples and are not to be construed as limiting. For example, by assuming other probabilities across the system or by using a non-linear functional as described above, other weighting functions can also be achieved, which can be adapted to a particular application.

Abstract

The invention relates to methods and devices for examining samples which emit spin-dependent fluorescence. A measurement of the spin-dependent fluorescence (60) and/or an analysis of the measurement (65) is carried out using information on the time curve of the fluorescence (61). The analysis of the measurement using the information on the time curve (61) includes the process of weighting the measurement (64) using a weighting function which is based on the information on the time curve.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Untersuchen einer Probe mit spinabhängiger Fluoreszenz Method and device for examining a sample with spin-dependent fluorescence
Die vorliegende Anmeldung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Untersuchen einer Probe mit spinabhängiger Fluoreszenz. The present application relates to methods and devices for examining a sample with spin-dependent fluorescence.
Spin-Systeme können in der Quantentechnologie als sogenannte Quantenbits dienen, wobei ein Spin-Zustand einem Wert des Quantenbits entspricht. Ein Kandidat für derartige Spin- Systeme sind Defektzentren wie Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (nitrogen vacancy center, kurz NVC) in einer Diamantstruktur, welche über Spin-Zustände mit langer Kohärenzzeit verfügen. Manchmal werden derartige Systeme auch als Farbzentren bezeichnet. Der Spin-Zustand derartiger Defektzentren kann beispielsweise über Mikrowellenfelder oder Magnetfelder manipuliert werden und dann optisch ausgelesen werden. Auch können derartige Defektzentren als Sonden in der Mikroskopie Anwendung finden, wie dies beispielsweise in den deutschen Patentanmeldungen DE 102019 119213.7 und DE 102019 119212.9 der Anmelderin beschrieben ist. In quantum technology, spin systems can serve as so-called quantum bits, with a spin state corresponding to a value of the quantum bit. One candidate for such spin systems are defect centers such as nitrogen vacancy centers (NVC for short) in a diamond structure, which have spin states with a long coherence time. Such systems are sometimes also referred to as color centers. The spin state of such defect centers can be manipulated, for example, using microwave fields or magnetic fields and then read out optically. Such defect centers can also be used as probes in microscopy, as is described, for example, in the applicant's German patent applications DE 102019 119213.7 and DE 102019 119212.9.
Ein Niveauschema eines Stickstoff-Fehlstellen-Zentrums ist in Fig. 1 dargestellt. Die Fig. 1 zeigt einen Grund-Triplett-Zustand 3A2 und einen angeregten Triplett-Zustand 3E, welche jeweils drei mögliche Spin-Zustände |0>, |+1> und |-1> aufweisen. A level diagram of a nitrogen vacancy center is shown in FIG. 1 shows a basic triplet state 3 A2 and an excited triplet state 3 E, which each have three possible spin states |0>, |+1> and |-1>.
Die Aufspaltung zwischen den Spin-Niveaus |+1> und |-1> hängen jeweils von einem anliegenden Magnetfeld ab. Ein Übergang von dem Spin-Zustand |0> in den Zustand |+1> oder |-1> kann beispielsweise über Mikrowellenstrahlung wie durch einen Pfeil 10 angedeutet oder durch einen Einfluss eines Magnetfeldes erfolgen. The splitting between the spin levels |+1> and |-1> each depend on an applied magnetic field. A transition from the spin state |0> to the state |+1> or |-1> can take place, for example, via microwave radiation, as indicated by an arrow 10, or through the influence of a magnetic field.
Von dem Grundzustand 3A2 kann eine Anregung in den angeregten Zustand 3E beispielsweise mittels optischer Anregung wie durch Pfeile 11 dargestellt erfolgen. Für diese Anregung kann beispielsweise ein grüner Laser mit einer Wellenlänge von 532 nm eingesetzt werden. Von dem angeregten Zustand 3E kann dann ein strahlender Übergang in den Grundzustand wie durch Pfeile 12 angedeutet erfolgen. Die Wellenlänge dieser optischen Emission beträgt beim Übergang zwischen den Spin-Zuständen |0> 637 nm und liegt bei Übergängen zwischen den Spin-Zuständen |+1> oder zwischen den Spin-Zuständen |-1> ebenfalls in dieser Größenordnung. Wegen der Spinerhaltung und dem Spin eines Photons von 0 kann dabei ein Übergang nur zwischen entsprechenden Zuständen, das heißt von Spin |+1> zu Spin |+1>, von Spin |-1 > zu Spin |-1 > oder von Spin |0> zu Spin |0> erfolgen. Zusätzlich kann von dem angeregten Zustand 3E ein Übergang in einen metastabilen Zustand 1E wie durch einen Pfeil 13 repräsentiert erfolgen, wobei dieser Übergang nichtstrahlend ist.From the ground state 3 A2 an excitation can be effected in the excited state as illustrated by arrows 11 3 E, for example by means of optical excitation. For example, a green laser with a wavelength of 532 nm can be used for this excitation. A radiant transition to the ground state can then be performed as indicated by arrows 12 from the excited state 3 E. The wavelength of this optical emission is 637 nm for the transition between the spin states |0> and is also in this order of magnitude for transitions between the spin states |+1> or between the spin states |-1>. Due to spin conservation and the spin of a photon being 0, a transition can only take place between corresponding states, i.e. from spin |+1> to spin |+1>, from spin |-1 > to spin |-1 > or from spin | 0> to spin |0>. In addition, a transition can occur from the excited state 3 E to a metastable state 1 E as represented by an arrow 13, this transition being non-radiative.
Von dem Zustand 1E erfolgt dann ein Übergang in einen Zustand , wobei bei diesem Übergang Licht von einer deutlich größeren Wellenlänge, nämlich 1042 nm, emittiert wird, so dass dieses Licht bei einer Detektion der Fluoreszenz entsprechend den Pfeilen 12 normalerweise nicht mit detektiert wird. Von dem Zustand kehrt das System dann durch einen nichtstrahlenden Übergang in den Grundzustand 3Ä2 mit Spin |0> zurück. From the state 1 E there is then a transition into a state , with this transition emitting light of a significantly longer wavelength, namely 1042 nm, so that this light is normally not also detected when the fluorescence according to the arrows 12 is detected. From that state the system then returns to the ground state 3 Д2 with spin |0> by a nonradiative transition.
Die Wahrscheinlichkeit des Übergangs von dem Zustand 3E in den Zustand 1E entsprechend dem Pfeil 13 ist für die Spin-Zustände |+1> und |-1> höher als für den Spin-Zustand |0>. Dies führt dazu, dass die optische Emission gemäß den Pfeilen 12 für die Spin-Zustände |+1> und |- 1> niedriger ist als für den Spin-Zustand |0>. The probability of the transition from state 3 E to state 1 E according to arrow 13 is higher for the spin states |+1> and |-1> than for the spin state |0>. This means that the optical emission according to the arrows 12 for the spin states |+1> and |−1> is lower than for the spin state |0>.
Dies ist in Fig. 2 dargestellt. Die Fig. 2 zeigt eine normalisierte Fluoreszenz-Intensität über dem Spinwinkel, wobei der Spinwinkel einen Anteil von Spin |+1> oder |-1> zu einem Anteil von Spin |0> Zuständen in einer Probe ausdrückt. Wird der Spinwinkel mit phi bezeichnet, kann ein entsprechender Zustand |psi> als |psi> = cos (phi/2) |0> + sin (phi/2) |1> ausgedrückt werden, wobei cos die Kosinusfunktion und sin die Sinusfunktion ist. This is shown in FIG. 2 shows normalized fluorescence intensity versus spin angle, where spin angle expresses a proportion of spin |+1> or |-1> to a proportion of spin |0> states in a sample. If the spin angle is denoted by phi, a corresponding state |psi> can be expressed as |psi> = cos (phi/2) |0> + sin (phi/2) |1>, where cos is the cosine function and sin is the sine function .
In der Fig. 2 zeigt eine Kurve 20 ein Verhalten für sogenannte integrierte Detektion, wobei während eine Kurve 21 ein Verhalten für eine sogenannte „Gated“-Detektion (genauer auch als time-gated-Detektion oder Zeitfensterdetektion bezeichnet) zeigt, wobei in beiden Fällen die Fluoreszenz für einen Spinwinkel von TT, was Spin-Zuständen |+1> und |-1> entspricht, geringer ist als für einen Spinwinkel von 0 oder 2TT, was einem Spin-Zustand |0> entspricht. Bei der integrierten Detektion gemäß der Kurve 20 wird Fluoreszenzsignal über einen gesamten Zeitraum, in dem Fluoreszenz vorliegt, integriert, während es bei der Gated-Detektion nur über einen begrenzten Zeitraum detektiert wird. In Fig. 2, a curve 20 shows a behavior for so-called integrated detection, while a curve 21 shows a behavior for so-called "gated" detection (more precisely also referred to as time-gated detection or time window detection), wherein in both cases the fluorescence is lower for a spin angle of TT, corresponding to spin states |+1> and |-1>, than for a spin angle of 0 or 2TT, corresponding to a spin state |0>. In the case of the integrated detection according to the curve 20, the fluorescence signal is integrated over an entire period of time in which fluorescence is present, while in the case of gated detection it is only detected over a limited period of time.
Bei dazwischenliegenden Werten des Spinwinkels liegen manche Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in einer Probe in einem Spin-Zustand |0> und andere in einem Spin-Zustand |+1> oder |-1> vor. Im Falle der integrierten Detektion gemäß der Kurve 20 ist ein Kontrast zwischen dem Minimum und Maximum der Kurve bei 0,25, während der Kontrast für die Gated-Detektion gemäß Kurve 21 in dem dargestellten Beispiel bei 0,65 liegt. At intermediate spin angle values, some nitrogen vacancy centers in a sample exist in a |0> spin state and others in a |+1> or |-1> spin state. In the case of integrated detection according to curve 20, a contrast between the minimum and maximum of the curve is 0.25, while the contrast for gated detection according to curve 21 is 0.65 in the example shown.
Zur Anregung kann bei einer Herangehensweise ein Laser im cw-Betrieb (continuous wave) die Stickstoff-Fehlstellen-Zentren durchweg zur Fluoreszenz anregen. Zeitgleich dazu wird der Spin-Zustand manipuliert, beispielsweise durch Einstrahlen entsprechender Mikrowellen-Pulse oder durch Anlegen von Magnetfeldern. Die Intensität des Fluoreszenzsignals, welche über eine gewisse Zeit integriert wird, gibt dann Auskunft über den Spin-Zustand. Der Nachteil dieser Herangehensweise ist es, dass der Laser, der zum Anregen der Fluoreszenz benutzt wird, den Spin-Zustand stört, während dieser beispielsweise durch Mikrowellen-Pulse manipuliert wird. Diese Störung des Spin-Zustandes kann die Leistungsfähigkeit eines Systems, welche auf Stickstoff-Fehlstellen-Zentren basiert, stark reduzieren. Werden die Stickstoff-Fehlstellen- Zentren beispielsweise zur Messung von Magnetfeldern benutzt, reduziert dies die Sensitivität. For excitation, in one approach, a continuous wave (cw) laser can excite the nitrogen vacancy centers throughout to fluoresce. At the same time, the Spin state manipulated, for example by irradiating appropriate microwave pulses or by applying magnetic fields. The intensity of the fluorescence signal, which is integrated over a certain period of time, then provides information about the spin state. The disadvantage of this approach is that the laser used to excite the fluorescence perturbs the spin state while it is being manipulated, for example, by microwave pulses. This spin state perturbation can severely reduce the performance of a system based on nitrogen vacancy centers. If the nitrogen vacancy centers are used to measure magnetic fields, for example, this reduces the sensitivity.
Bei einer anderen Herangehensweise, dem gepulsten Auslesen, werden die Manipulation des Spins und ein Einstrahlen eines Lasers zum Auslesen des Spins zeitlich voneinander getrennt. Der Ablauf einer derartigen Messung ist in der Fig. 3 dargestellt. Eine Kurve 30 zeigt dabei schematisch eine Lasereinstrahlung über der Zeit, und eine Kurve 31 eine Mikrowelleneinstrahlung über der Zeit. Zunächst erfolgt ein erster Pumppuls 32 mit einer Zeitdauer tl. Folgend diesem ersten Pumppuls wird der Spin mittels eines Mikrowellenpulses 34 manipuliert. Zusätzlich oder alternativ zu dem Mikrowellen-Puls kann auch eine andere Art der Manipulation, z.B. eine magnetische Manipulation, des Spins erfolgen. Eine Dauer des Mikrowellenpulses 34 beträgt tm. tl und tm können beispielsweise in der Größenordnung von 1 ps sein. In another approach, pulsed reading, the manipulation of the spin and the irradiation of a laser to read the spin are separated in time. The course of such a measurement is shown in FIG. A curve 30 schematically shows laser irradiation over time, and a curve 31 microwave irradiation over time. First, there is a first pump pulse 32 with a duration t1. Following this first pump pulse, the spin is manipulated using a microwave pulse 34 . In addition or as an alternative to the microwave pulse, another type of manipulation, e.g. magnetic manipulation, of the spin can also be carried out. A duration of the microwave pulse 34 is tm. tl and tm can be of the order of 1 ps, for example.
Zeitlich nach dem Mikrowellen-Puls 34 erfolgt ein weiterer Laserpuls 33 zum Auslesen des Spin-Zustandes, welcher ebenfalls eine Dauer tl oder eine davon abweichende Dauer haben kann. A further laser pulse 33 for reading out the spin state takes place after the microwave pulse 34, which can also have a duration t1 or a duration that deviates therefrom.
Die Fig. 4 zeigt Beispiele für Fluoreszenzsignale über der Zeit, die mit dem gepulsten Auslesen der Fig. 3 erzeugbar sind. Kurve 41 zeigt dabei den zeitlichen Verlauf der Fluoreszenz nach dem Beginn des Auslesepulses (Puls 33 der Fig. 4), wobei dieser Beginn durch einen Pfeil 35 in der Fig. 3 markiert ist und t = 0 in der Fig. 4 entspricht. Eine Kurve 41 zeigt dabei ein Beispiel für den Spin-Zustand 0>, und eine Kurve 42 zeigt den Verlauf für den Spin-Zustand |-1>. Der Verlauf für den Spin-Zustand |+1> wäre ähnlich dem Verlauf für den Spin-Zustand |-1>. FIG. 4 shows examples of fluorescence signals over time that can be generated with the pulsed readout of FIG. Curve 41 shows the course of the fluorescence over time after the start of the read-out pulse (pulse 33 in FIG. 4), this start being marked by an arrow 35 in FIG. 3 and corresponding to t=0 in FIG. A curve 41 shows an example for the spin state 0>, and a curve 42 shows the profile for the spin state |−1>. The curve for the |+1> spin state would be similar to the curve for the |-1> spin state.
Wie zu erkennen, nimmt der Intensitätsunterschied zwischen den Kurven 41 und 42 mit der Zeit ab. Wenn nun über die gesamte Zeitdauer (z.B. 0 bis 1000 ns in Fig. 4) integriert wird, ergibt sich dann entsprechend ein relativ geringer Unterschied zwischen den integrierten Intensitäten, wie dies auch in Kurve 20 der Fig. 2 zu sehen ist. Daher wird in vielen Fällen eine Gated- Detektion verwendet. Hier erfolgt eine Integration nur in einem bestimmten Zeitfenster, welches in Fig. 4 mit dem Bezugszeichen 40 gekennzeichnet ist. Das gemessene Signal wird dann nur in diesem Zeitfenster integriert. Hierdurch ergibt sich ein deutlicherer Unterschied zwischen verschiedenen Spin-Zuständen, wie dies auch durch die Kurve 21 der Fig. 2 verdeutlicht ist. Die integrierte Intensität kann dann z.B. mit einem oder mehreren Schwellenwerten verglichen werden, um auf einen Spin-Zustand zu schließen. As can be seen, the difference in intensity between curves 41 and 42 decreases over time. If the integration is now carried out over the entire time period (eg 0 to 1000 ns in FIG. 4), then there is a relatively small difference between the integrated intensities, as can also be seen in curve 20 in FIG. Therefore, gated detection is used in many cases. Here an integration only takes place in a certain time window, which indicated by the reference numeral 40 in FIG. The measured signal is then only integrated in this time window. This results in a clearer difference between different spin states, as is also illustrated by curve 21 in FIG. The integrated intensity can then be compared to one or more threshold values, for example, in order to infer a spin state.
Bei den herkömmlichen Herangehensweisen, wie sie oben dargestellt wurden, ergeben sich folgende Probleme: The following problems arise with the conventional approaches as presented above:
Generell sind derartige Fluoreszenzsignale sehr schwach, und somit verrauscht, beispielsweise durch Poisson-Rauschen. Um trotzdem mit entsprechender Sicherheit auf den Spin-Zustand schließen zu können, muss in vielen Fällen das Signal über viele Durchläufe (Präparation des Spin-Zustandes und nachfolgendes Auslesen) gemittelt werden, um somit durch Mittelung das Rauschen zu reduzieren. Dies erhöht jedoch den Zeitaufwand für Messungen. Alternativ kann auch eine Verbesserung der Detektionseffizienz angestrebt werden. Allerdings sind herkömmliche Messvorrichtungen hier schon weitgehend optimiert, weswegen weitere Verbesserungen in der Detektionseffizienz durch verbesserte Hardware nur bedingt möglich bzw. mit großem Aufwand verbunden sind. In general, such fluorescence signals are very weak and are therefore noisy, for example due to Poisson noise. In order to be able to infer the spin state with a certain degree of certainty, in many cases the signal must be averaged over many runs (preparation of the spin state and subsequent readout) in order to reduce the noise through averaging. However, this increases the time required for measurements. Alternatively, an improvement in the detection efficiency can also be sought. However, conventional measuring devices are already largely optimized here, which is why further improvements in the detection efficiency through improved hardware are only possible to a limited extent or are associated with great effort.
Bei der Gated-Detektion stellt dann zudem noch die geeignete Wahl des Zeitfensters 40 ein Problem dar. Wenn das Zeitfenster zu kurz gewählt wird, werden zu wenige Photonen detektiert und somit das Rauschen relativ zum Signal erhöht. Wenn das Zeitfenster zu lange gewählt wird, hat dies zur Folge, dass das Signal auch zu Zeiten integriert wird, in denen sich die Signale 41 und 42 nicht oder nur geringfügig unterscheiden. Als Ergebnis erhält man durch die weitere Integration keine zusätzliche Information, sammelt aberweiter Photonen auf, welche mit ihrem Poisson-Rauschen zum Gesamtrauschen beitragen, aber kein relevantes Signal, welches das Signal-Rausch-Verhältnis (im Englischen Signal-to-noise-ratio, kurz SNR) verschlechtert. In the case of gated detection, the suitable selection of the time window 40 then also represents a problem. If the time window is selected too short, too few photons are detected and the noise relative to the signal is thus increased. If the time window selected is too long, the result is that the signal is also integrated at times when signals 41 and 42 do not differ or differ only slightly. As a result, no additional information is obtained through further integration, but photons continue to be collected, which contribute to the overall noise with their Poisson noise, but no relevant signal, which indicates the signal-to-noise ratio short SNR) deteriorated.
Auch im Falle einer kontinuierlichen Anregung kann eine solche Gated-Detektion zum Einsatz kommen. Hier wird dann das Zeitfenster nicht in Bezug auf das Einschalten des Lasers gewählt, weil dieser ja kontinuierlich an ist, sondern in Bezug auf die eingestrahlten Mikrowellen-Pulse oder andere Manipulation der Spins. Die Problematik ist hier ansonsten ähnlich. Such gated detection can also be used in the case of continuous excitation. In this case, the time window is not selected in relation to the switching on of the laser, because it is on continuously, but in relation to the microwave pulses radiated in or other manipulation of the spins. The problem is otherwise similar here.
Es ist daher eine Aufgabe, Verfahren und Vorrichtungen bereitzustellen, mit welcher die Messung spinabhängiger Fluoreszenz verbessert werden kann, beispielsweise ein Signal- Rausch-Verhältnis für die Bestimmung eines Spin-Zustandes verbessert werden kann. Es werden ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine Messvorrichtung nach Anspruch 13 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen. It is therefore an object to provide methods and devices with which the measurement of spin-dependent fluorescence can be improved, for example a signal-to-noise ratio for determining a spin state can be improved. A method according to claim 1 and a measuring device according to claim 13 are provided. The dependent claims define further embodiments.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Untersuchen einer Probe bereitgestellt, aufweisend: Messen einer spinabhängigen Fluoreszenz von der Probe, und According to the invention there is provided a method for examining a sample, comprising: measuring a spin-dependent fluorescence from the sample, and
Auswerten der Messung der spinabhängigen Fluoreszenz, wobei das Auswerten und optional auch das Messen unter Verwendung einer Information über den zeitabhängigen Verlauf der spinabhängigen Fluoreszenz erfolgt. Evaluation of the measurement of the spin-dependent fluorescence, the evaluation and optionally also the measurement being carried out using information about the time-dependent course of the spin-dependent fluorescence.
Information über den Zeitverlauf bedeutet dabei, dass nicht nur das Integral über einen Zeitraum verwendet wird, sondern tatsächlich bei der Messung oder Auswertung herangezogen wird, wie das Fluoreszenzsignal absteigt, abfällt oder sich sonst zeitlich entwickelt. Durch das Heranziehen einer Information über den zeitlichen Verlauf steht diese Information zusätzlich zur Verfügung und kann zur Verbesserung der Messung oder des Auswertens der Messung verwendet werden. Information about the course of time means that not only the integral is used over a period of time, but is actually used in the measurement or evaluation of how the fluorescence signal decreases, decreases or otherwise develops over time. By using information about the course over time, this information is additionally available and can be used to improve the measurement or to evaluate the measurement.
Die Information über den spinabhängigen Verlauf kann auf Eigenschaften fluoreszenzemittierender Komponenten der Probe basieren, beispielsweise auf Zerfallsraten von (Spin)zuständen derartiger Komponenten The information about the spin-dependent course can be based on properties of fluorescence-emitting components of the sample, for example on decay rates of (spin) states of such components
Zusätzlich oder alternativ kann die Information über den zeitabhängigen Verlauf auf Kalibrierungsmessungen der Probe in einem ersten Spin-Zustand und einem von dem ersten Spin-Zustand verschiedenen zweiten Spin-Zustand erfolgt basieren. Dies schließt nicht aus, dass noch weitere Spin-Zustände vorhanden und beteiligt sind. So kann die Information dann zusätzlich noch auf Kalibrierungsmessungen der Probe in einem dritten Spin-Zustand, der von dem ersten und zweiten Spin-Zustand verschieden ist, etc. basieren. Additionally or alternatively, the information about the time-dependent profile can be based on calibration measurements of the sample in a first spin state and a second spin state that is different from the first spin state. This does not rule out the possibility that other spin states are present and involved. The information can then also be based on calibration measurements of the sample in a third spin state, which is different from the first and second spin state, etc.
Die Probe kann Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in einer Diamantstruktur, z.B. als die oben erwähnten fluoreszenzemittierenden Komponenten, enthalten. The sample may contain nitrogen vacancy centers in a diamond structure, e.g., as the fluorescence-emitting components mentioned above.
Das Durchführen des Messens unter Verwendung einer Information über den zeitabhängigen Verlauf kann ein Kalibrieren einer für das Messen verwendeten Messvorrichtung auf Basis der Information umfassen. So kann das Kalibrieren der Messvorrichtung ein Kalibrieren eines Beginns einer Integration eines beim Messen erhaltenen Signals relativ zu einem Beginn eines Laserpulses zum Anregen der Probe auf Basis eines Beginns eines Anstiegs der spinabhängigen Fluoreszenz umfassen. Carrying out the measurement using information about the time-dependent profile can include calibrating a measuring device used for the measurement on the basis of the information. Thus, calibrating the measuring device can include calibrating a beginning of an integration of a signal obtained during measurement relative to a beginning of a laser pulse for exciting the sample on the basis of a beginning of an increase in the spin-dependent fluorescence.
Auf diese Weise kann beispielsweise Timing-Jitter reduziert werden, das heißt Ungenauigkeiten oder Rauschen, das sich aus einem Zeitversatz zwischen dem Beginn der Messung und den Laser-Pulsen ergeben. In this way, for example, timing jitter can be reduced, i.e. inaccuracies or noise that result from a time offset between the start of the measurement and the laser pulses.
Das Auswerten der Messung unter Verwendung der Information über den zeitabhängigen Verlauf ein Erhalten einer Information über einen Spin-Zustand der Probe basierend auf der Information über den zeitabhängigen Verlauf umfassen. Evaluating the measurement using the information about the time-dependent course include obtaining information about a spin state of the sample based on the information about the time-dependent course.
In anderen Worten wird in diesem Fall ausgenutzt, dass verschiedene Spin-Zustände nicht nur verschiedene Fluoreszenzintensitäten aufweisen, sondern sich auch die zeitlichen Verläufe unterscheiden, also in der Information über den zeitlichen Verlauf eine Information über den Spin-Zustand steckt. In other words, in this case, use is made of the fact that different spin states not only have different fluorescence intensities, but also the temporal profiles differ, ie information about the spin state is contained in the information about the temporal profile.
Das Auswerten der Messung unter Verwendung der Information über den zeitabhängigen Verlauf umfasst ein Gewichten der Messung mit einer Gewichtungsfunktion, die auf der Information über den zeitabhängigen Verlauf beruht. Evaluating the measurement using the time-dependent history information includes weighting the measurement with a weighting function based on the time-dependent history information.
Durch die Wahl einer Gewichtungsfunktion kann durch gegenüber der Verwendung eines Zeitfensters bei der Gated-Detektion eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses erzielt werden. By choosing a weighting function, an improvement in the signal-to-noise ratio can be achieved compared to using a time window in gated detection.
Die Probe kann dabei ein oder mehrere Fluoreszenzzentren aufweist, wobei jedes Fluoreszenzzentrum in einem ersten Spin-Zustand oder in mindestens einem zweiten Spin- Zustand ist, und wobei die Gewichtungsfunktion eine Funktion eines zeitabhängigen Verlaufs einer Fluoreszenzintensität für den ersten Spin-Zustand und eines zeitabhängigen Verlaufs der Fluoreszenzintensität für den mindestens einen zweiten Spin-Zustand ist. The sample can have one or more fluorescence centers, each fluorescence center being in a first spin state or in at least one second spin state, and the weighting function being a function of a time-dependent curve of a fluorescence intensity for the first spin state and a time-dependent curve is the fluorescence intensity for the at least one second spin state.
Die Gewichtungsfunktion w(t) kann durch
Figure imgf000007_0001
gegeben sein, wobei l|o>(t) der zeitliche Verlauf für den ersten Spin-Zustand, l|±i>(t) der zeitliche Verlauf für den zweiten Spin-Zustand und c ein Normierungsfaktor ist.
The weighting function w(t) can be given by
Figure imgf000007_0001
be given, where l | o > (t) the time course for the first spin state, l |±i> (t) the time course for the second spin state and c is a normalization factor.
Der Normierungsfaktor c kann durch
Figure imgf000008_0001
gegeben sein.
The normalization factor c can be
Figure imgf000008_0001
be given.
Die Probe kann ein oder mehrere Fluoreszenzzentren aufweisen, z.B. die oben erwähnten Stickstoff-Fehlstellen-Zentren, wobei jedes Fluoreszenzzentrum in einem ersten Spin-Zustand oder in einem zweiten Spin-Zustand ist, und wobei die Information über den zeitabhängigen Verlauf einen zeitabhängigen Verlauf einer Fluoreszenzintensität für den ersten Spin-Zustand und eines zeitabhängigen Verlaufs der Fluoreszenzintensität für den mindestens einen zweiten Spin-Zustand umfasst. The sample may have one or more fluorescence centers, eg the nitrogen vacancy centers mentioned above, each fluorescence center being in a first spin state or in a second spin state, and the information about the time-dependent course includes a time-dependent course of a fluorescence intensity for the first spin state and a time-dependent profile of the fluorescence intensity for the at least one second spin state.
Erfindungsgemäß wird zudem eine Messvorrichtung zur Untersuchung einer Probe bereitgestellt, umfassend: einen Detektor zum Messen einer spinabhängigen Fluoreszenz von der Probe, und eine Steuer-/Auswerteeinrichtung zum Steuern der Messung der spinabhängigen Fluoreszenz und zum Auswerten der Messung, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, das Auswerten der Messung und optional auch die Messung unter Verwendung einer Information über den zeitabhängigen Verlauf der spinabhängigen Fluoreszenz durchzuführen. Das Auswerten der Messung unter Verwendung der Information über den zeitabhängigen Verlauf umfasst ein Gewichten der Messung mit einer Gewichtungsfunktion, die auf der Information über den zeitabhängigen Verlauf beruht. According to the invention, a measuring device for examining a sample is also provided, comprising: a detector for measuring a spin-dependent fluorescence from the sample, and a control/evaluation device for controlling the measurement of the spin-dependent fluorescence and for evaluating the measurement, the device being set up to Evaluate the measurement and optionally also carry out the measurement using information about the time-dependent course of the spin-dependent fluorescence. Evaluating the measurement using the time-dependent history information includes weighting the measurement with a weighting function based on the time-dependent history information.
Die Vorrichtung kann weiterhin eine Lichtquelle zum Anregen der Probe umfassen. The device can further comprise a light source for exciting the sample.
Die Vorrichtung kann weiter einen Mikrowellenstrahler und/oder eine Magnetfeldvorrichtung zum Manipulieren eines Spin-Zustandes der Probe umfassen. Die Vorrichtung kann zur Durchführung eines der oben beschriebenen Verfahren eingerichtet sein. The device may further comprise a microwave emitter and/or a magnetic field device for manipulating a spin state of the sample. The device can be set up to carry out one of the methods described above.
Es wird auch ein Computerprogramm, beispielsweise auf einem greifbaren Speichermedium, bereitgestellt sein, mit dem die Auswertung der Messung basierend auf der Information über den zeitabhängigen Verlauf (z.B. das Gewichten) gemäß den oben beschriebenen Verfahren durchgeführt wird. A computer program will also be provided, e.g. on a tangible storage medium, with which the evaluation of the measurement based on the information about the time-dependent course (e.g. weighting) is carried out according to the methods described above.
Verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden näher erläutert. Es zeigen: Various exemplary embodiments of the present invention are explained in more detail below. Show it:
Fig. 1 ein Niveauschema eines Stickstoff-Fehlstellen-Zentrums, 1 shows a level diagram of a nitrogen vacancy center,
Fig. 2 Fluoreszenzintensitäten für verschiedene Spinwinkel bei verschiedenen Detektionsarten, Fig. 3 Signale zum gepulsten Auslesen eines Stickstoff-Fehlstellen-Zentrums, Fig. 2 fluorescence intensities for different spin angles with different types of detection, Fig. 3 signals for the pulsed readout of a nitrogen vacancy center,
Fig. 4 Beispiele für Fluoreszenzkurven, Fig. 4 examples of fluorescence curves,
Fig. 5 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, 5 shows a block diagram of a device according to an embodiment,
Fig. 6 ein Flussdiagram zur Veranschaulichung von Verfahren gemäß mancher Ausführungsbeispiele, 6 shows a flow chart to illustrate methods according to some exemplary embodiments,
Fig. 7 schematische Darstellungen zeitabhängiger Fluoreszenz zur Veranschaulichung mancher Ausführungsbeispiele, und 7 schematic representations of time-dependent fluorescence to illustrate some exemplary embodiments, and
Fig. 8 eine Gewichtungsfunktion gemäß einem Ausführungsbeispiel im Vergleich mit Gated- Detektion. 8 shows a weighting function according to an embodiment in comparison with gated detection.
Fig. 9 veranschaulicht eine erwartete Signalverbesserung. 9 illustrates an expected signal improvement.
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele detailliert erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. So ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Merkmalen (Komponenten, Schritten, Vorgängen, Elementen etc.) nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Merkmale notwendig sind, da andere Ausführungsbeispiele weniger Merkmale und/oder alternative Merkmale aufweisen können. Zusätzlich zu den explizit hier beschriebenen Merkmalen können auch andere Merkmale bereitgestellt sein, beispielsweise Merkmale herkömmlicher Messvorrichtungen und Verfahren zur Messung spinabhängiger Fluoreszenz. So kann abgesehen von der nachfolgend detailliert beschriebenen Verwendung von Informationen über den zeitlichen Verlauf der Fluoreszenz die Messung in herkömmlicher Weise mit herkömmlichen Vorrichtungen vorgenommen werden, und diese herkömmlichen Bestandteile werden nicht detailliert erläutert. Various exemplary embodiments are explained in detail below. These embodiments are provided for illustration only and are not to be construed as limiting. A description of an exemplary embodiment with a large number of features (components, steps, processes, elements, etc.) is not pertinent to be construed that all of these features are necessary, as other embodiments may have fewer features and/or alternative features. In addition to the features explicitly described here, other features can also be provided, for example features of conventional measuring devices and methods for measuring spin-dependent fluorescence. Thus, apart from the use of fluorescence time course information, as detailed below, the measurement can be made in a conventional manner using conventional apparatus, and these conventional components will not be discussed in detail.
Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Variationen und Abwandlungen, die für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, sind auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar und werden daher nicht näher erläutert. Features of different exemplary embodiments can be combined with one another unless otherwise stated. Variations and modifications that have been described for one of the exemplary embodiments can also be applied to other exemplary embodiments and are therefore not explained in more detail.
In der nachfolgenden Beschreibung werden Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamant als Beispiel für Proben oder Bestandteile von Proben verwendet, die eine spinabhängige Fluoreszenz zeigen. Die nachfolgend beschriebenen Techniken sind jedoch auch auf andere Fälle, in denen eine spinabhängige Fluoreszenz auftritt, anwendbar, beispielsweise auf andere Defektzentren. Beispiele hierfür sind Siliziumfehlstellen in SiC, wie in D. Reidel et al. , „Resonant addressing and manipulation of Silicon vacancy qubits in Silicon Carbide“, arXiv1210.0505v1, oder Defekte in 2D-Materialien, wie in A. Gottscholl et al., „Room Temperature Initialisation and Readout of Intrinsic Spin Defects in a Van der Waals Crystal“, arXiv: 1906.03774 beschrieben. In the following description, nitrogen vacancy centers in diamond are used as an example of samples or components of samples showing spin-dependent fluorescence. However, the techniques described below are also applicable to other cases where spin-dependent fluorescence occurs, such as other defect centers. Examples of this are silicon defects in SiC, as described in D. Reidel et al. , "Resonant addressing and manipulation of Silicon vacancy qubits in Silicon Carbide", arXiv1210.0505v1, or defects in 2D materials, as in A. Gottscholl et al., "Room Temperature Initialization and Readout of Intrinsic Spin Defects in a Van der Waals Crystal”, arXiv: 1906.03774.
Im Folgenden wird als Beispiel angenommen, dass Fluoreszenz zwischen 2 Spin-Zuständen, z.B. |0> und |±1|, unterschiedlich ist. Die hier dargestellten Techniken und Herangehensweisen, die eine Information über den zeitabhängigen Verlauf der Fluoreszenz heranziehen, sind aber ebenso auf Systeme und Proben anwendbar, bei denen drei oder mehr verschiedene Spin- Zustände mit unterschiedlichem Fluoreszenzverhalten vorliegen. In the following it is assumed as an example that fluorescence differs between 2 spin states, e.g. |0> and |±1|. However, the techniques and approaches presented here, which use information about the time-dependent course of the fluorescence, are also applicable to systems and samples in which three or more different spin states with different fluorescence behavior are present.
Die Fig. 5 zeigt eine Messvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, welche eingerichtet ist, eine spinabhängige Fluoreszenz von einer Probe 54 zu messen. Die Probe 54 kann beispielsweise Stickstoff-Fehlstellen-Zentren als Fluoreszenzzentren aufweisen. FIG. 5 shows a measuring device according to an exemplary embodiment, which is set up to measure a spin-dependent fluorescence from a sample 54 . The sample 54 can have nitrogen vacancy centers as fluorescence centers, for example.
Die Vorrichtung der Fig. 5 weist einen Laser 51 zur optischen Anregung der Probe 54 sowie einen Detektor 53 zur Detektion von Fluoreszenz von der Probe 54 aus. Der Laser 51 kann beispielsweise ein Laser mit einer Wellenlänge von 532 nm sein, beispielsweise ein Nd:YAG- Laser. Der Detektor 53 kann jede Art von Detektor sein, der zur Detektion einer Wellenlänge entsprechend der Fluoreszenz der Probe 54 (in dem Bereich von 637 nm für Stickstoff- Fehlstellen-Zentren) eingerichtet ist, beispielsweise ein halbleiterbasierter Detektor. Jeder herkömmliche für derartige Fluoreszenzmessungen verwendete Laser 51 und Detektor 53 kann verwendet werden. The device of FIG. 5 has a laser 51 for optically exciting the sample 54 and a detector 53 for detecting fluorescence from the sample 54 . The laser 51 can be, for example, a laser with a wavelength of 532 nm, for example a Nd:YAG Laser. The detector 53 can be any type of detector set up to detect a wavelength corresponding to the fluorescence of the sample 54 (in the range of 637 nm for nitrogen vacancy centers), for example a semiconductor-based detector. Any conventional laser 51 and detector 53 used for such fluorescence measurements can be used.
Des Weiteren umfassen die Messvorrichtungen einen Mikrowellenstrahler 52 zur Manipulation des Spins der Probe 54, beispielsweise der Stickstoff-Fehlstellen-Zentren. Statt des Mikrowellen-Strahlers 52 oder zusätzlich hierzu kann beispielsweise auch eine Manipulation mittels einem Magnetfeld, das mit einer entsprechenden Magnetfelderzeugungsvorrichtung erzeugt wird (z.B. Spulen, Permanentmagneten, externes zu messendes Magnetfeld etc.) erfolgen. Furthermore, the measuring devices include a microwave emitter 52 for manipulating the spin of the sample 54, for example the nitrogen vacancy centers. Instead of the microwave emitter 52 or in addition thereto, manipulation can also take place, for example, by means of a magnetic field that is generated with a corresponding magnetic field generating device (e.g. coils, permanent magnets, external magnetic field to be measured, etc.).
Eine Steuer-/Auswerteeinrichtung 50, im Folgenden kurz als Steuereinrichtung 50 bezeichnet, steuert den Laser 51 und den Mikrowellenstrahler 52 und empfängt die Signale von dem Detektor 53. Abgesehen von der folgend beschriebenen Verwendung von einer Information über den zeitabhängigen Verlauf der Fluoreszenz kann diese Steuerung und Auswertung der von dem Detektor 53 erhaltenen Signale in herkömmlicher Weise wie bei der eingangs erläuterten herkömmlichen Herangehensweise erfolgen. Die Steuereinrichtung 50 kann beispielsweise mittels einer Recheneinrichtung wie einem Computer oder einer Mikrosteuerung implementiert sein, die entsprechend programmiert ist. Sie kann aber auch auf andere Weise implementiert sein, beispielsweise mittels spezieller Hardware-Komponenten wie anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreisen (ASICs). A control/evaluation device 50, hereinafter referred to as control device 50 for short, controls the laser 51 and the microwave emitter 52 and receives the signals from the detector 53. Apart from the use of information about the time-dependent course of the fluorescence described below, this control can and evaluating the signals obtained from the detector 53 in a conventional manner as in the conventional approach explained at the outset. The controller 50 can be implemented, for example, by means of a computing device such as a computer or a microcontroller that is programmed accordingly. However, it can also be implemented in other ways, for example using special hardware components such as application-specific integrated circuits (ASICs).
Die Verwendung einer Information über den zeitlichen Verlauf der Fluoreszenz wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 6 bis 8 näher erläutert. The use of information about the time profile of the fluorescence is explained in more detail below with reference to FIGS. 6 to 8.
Fig. 6 zeigt ein Flussdiagram eines Verfahrens, wie es zum Beispiel mittels der Vorrichtung der Fig. 5 implementiert werden kann. FIG. 6 shows a flow chart of a method as can be implemented, for example, using the device in FIG. 5 .
Während das Verfahren als Abfolge von Schritten dargestellt ist, ist dies nicht als einschränkend auszulegen, und wie im Folgenden näher erläutert werden wird, können auch manche der dargestellten Schritte oder Vorgänge gleichzeitig ausgeführt werden, oder ein Vorgang kann einen anderen Vorgang modifizieren. Auch können Schritte in anderer Reihenfolge als dargestellt ausgeführt werden. In Schritt 60 wird die spinabhängige Fluoreszenz einer Probe gemessen. Beispielsweise kann wie oben erläutert Spins der Probe, beispielsweise von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren, mittels Mikrowellenstrahlung und/oder Magneten manipuliert werden und mittels Laserstrahlung und einem Detektor ausgelesen werden. While the method is presented as a sequence of steps, this is not meant to be limiting and, as will be explained in more detail below, some of the steps or acts illustrated may be performed simultaneously, or one act may modify another act. Also, steps may be performed in a different order than shown. In step 60 the spin-dependent fluorescence of a sample is measured. For example, as explained above, spins of the sample, for example from nitrogen vacancy centers, can be manipulated by means of microwave radiation and/or magnets and read out by means of laser radiation and a detector.
Bei 65 wird die Messung ausgewertet. Der Begriff Auswerten ist dabei allgemein zu verstehen und bezieht sich auf jegliche Verarbeitung der von einem entsprechenden Detektor wie dem Detektor 53 gelieferten Rohdaten. Ein derartiges Auswerten kann beispielsweise ein Integrieren der Rohdaten umfassen. Des Weiteren kann das Auswerten ein Bestimmen des Spin- Zustandes einer Probe umfassen, beispielsweise indem integrierte Daten mit einem oder mehreren Schwellenwerten verglichen werden. At 65 the measurement is evaluated. The term evaluation is to be understood in general terms and refers to any processing of the raw data supplied by a corresponding detector such as detector 53 . Such an evaluation can, for example, include an integration of the raw data. Furthermore, the evaluation can include determining the spin state of a sample, for example by comparing integrated data with one or more threshold values.
Bei 61 wird das Messen bei 60 modifiziert, in dem es unter Verwendung einer Information über den zeitabhängigen Verlauf der spinabhängigen Fluoreszenz durchgeführt wird, und/oder es wird das Auswerten der Messung bei 65 dahingehend modifiziert, dass es unter Verwendung einer derartigen Information durchgeführt wird. Beispiele für die Modifizierung bei 61 sind bei 62 bis 64 gegeben. Diese verschiedenen Maßnahmen können in Kombination miteinander oder einzeln in verschiedenen Ausführungsbeispielen durchgeführt werden. At 61, the measurement at 60 is modified to be performed using information about the time-dependent course of the spin-dependent fluorescence, and/or the evaluation of the measurement at 65 is modified to be performed using such information. Examples of the modification at 61 are given at 62-64. These various measures can be implemented in combination with one another or individually in various exemplary embodiments.
Bei 62 wird eine verwendete Messvorrichtung, beispielsweise die Messvorrichtung der Fig. 5, auf Basis der Information über den zeitabhängigen Verlauf kalibriert. Beispielsweise wird bei herkömmlichen Verfahren, wie unter Fig. 4 erläutert, das Zeitfenster 40 mit Beginn des Laserpulses 33 der Fig. 3 gestartet. Je nach Setup kann dies zu einem sogenannten Timing- Jitter führen, beispielsweise aufgrund von Laufzeiteffekten (z.B. wenn der tatsächliche Beginn des Laserpulses nicht mit einem nominellen Beginn auf Basis eines Steuersignals zusammenfällt). At 62, a measuring device used, for example the measuring device of FIG. 5, is calibrated on the basis of the information about the time-dependent profile. For example, in conventional methods, as explained under FIG. 4, the time window 40 is started at the beginning of the laser pulse 33 of FIG. Depending on the setup, this can lead to a so-called timing jitter, for example due to runtime effects (e.g. when the actual start of the laser pulse does not coincide with a nominal start based on a control signal).
Bei Ausführungsbeispielen kann die Information über den zeitlichen Verlauf nun beispielsweise angeben, wann der Anstieg des Fluoreszenzsignales tatsächlich beginnt, und das Zeitfenster 40 kann zu diesem Beginn gestartet werden. In anderen Worten gibt der tatsächliche Anstieg an, wann der Laserpuls tatsächlich beginnt, was beispielsweise aufgrund von Laufzeiteffekten von einer in einer Steuerung hinterlegten Zeit abweichen kann. Somit kann der Beginn des Zeitfensters 40 entsprechend angepasst werden, was Timing-Jitter verringern kann. In exemplary embodiments, the information about the course over time can now indicate, for example, when the increase in the fluorescence signal actually begins, and the time window 40 can be started at this beginning. In other words, the actual increase indicates when the laser pulse actually begins, which can deviate from a time stored in a controller, for example due to runtime effects. Thus, the beginning of the time window 40 can be adjusted accordingly, which can reduce timing jitter.
Bei 63 wird die Information über den zeitabhängigen Verlauf verwendet, um auf den Spin- Zustand zu schließen. Um dies zu verdeutlichen, zeigt die Fig. 7 die Fluoreszenzintensität über der Zeit, wobei eine Kurve 70 die Intensität I für Spin |0> und eine Kurve 71 die Intensität I für Spin |+1 > oder Spin |-1> zeigt. Im Wesentlichen entsprechen die Kurven der Fig. 7 den Kurven der Fig. 4, wobei die Kurven der Fig. 7 ohne Rauschen dargestellt sind. At 63, the information about the time-dependent profile is used to infer the spin state. To illustrate this, FIG. 7 shows the fluorescence intensity over of time, a curve 70 showing the intensity I for spin |0> and a curve 71 showing the intensity I for spin |+1> or spin |-1>. The curves of FIG. 7 essentially correspond to the curves of FIG. 4, the curves of FIG. 7 being shown without noise.
Wie in Fig. 7 zu sehen ist, steigt die Kurve 70 zuerst an und fällt dann ab, während die Kurve 71 erst ansteigt, dann abfällt und dann nochmals ansteigt, also ein Minimum aufweist. Aus einem Minimum im zeitlichen Verlauf kann also daraus geschlossen werden, dass der Spin |+1> oder |-1 > vorliegt oder zumindest soweit dominiert, dass ein Minimum auftritt. Diese Information kann zum Beispiel zur Plausibilitätsüberprüfung einer herkömmlichen Messung verwendet werden. As can be seen in FIG. 7, the curve 70 first rises and then falls, while the curve 71 first rises, then falls and then rises again, ie has a minimum. From a minimum over time, it can be concluded that the spin |+1> or |-1> is present or at least dominates to such an extent that a minimum occurs. This information can be used, for example, to check the plausibility of a conventional measurement.
Sollte die herkömmliche Auswertung eines Fluoreszenzsignales durch Integration beispielsweise ergeben, dass ein Spin-Zustand |0> vorliegt, auf der anderen Seite aber die Information über den zeitlichen Verlauf ergeben, dass ein Minimum vorliegt, kann dies auf eine fehlerhafte Messung hindeuten. Auch kann so überprüft werden, ob tatsächlich Fluoreszenz von einem erwarteten Defektzentrum (z.B. Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum) gemessen wird. Wenn ein gemessener zeitlicher Verlauf der Fluoreszenz stark von typischen Verläufen für Spin-Zustände abweicht, kann dies auf einen Fehler der Messung hindeuten. If the conventional evaluation of a fluorescence signal by integration shows, for example, that a spin state |0> is present, but on the other hand the information about the course over time shows that a minimum is present, this can indicate an incorrect measurement. It can also be checked in this way whether fluorescence is actually measured from an expected defect center (e.g. nitrogen defect center). If a measured course of the fluorescence over time deviates greatly from typical courses for spin states, this can indicate an error in the measurement.
Bei 64 wird die Messung zur Auswertung gewichtet. Es wird also nicht einfach wie bei herkömmlichen Verfahren das Integral über die gemessene Fluoreszenz gebildet oder im Falle der Gated-Detektion das Integral über ein bestimmtes Zeitfenster (was als eine einfache Gewichtung unabhängig von dem zeitlichen Verlauf gesehen werden kann, nämlich beispielsweise ein Gewicht +1 während des Zeitfensters und ein Gewicht 0 außerhalb des Zeitfensters), sondern die Gewichtungsfunktion wird zeitabhängig gewählt. Ein Beispiel, wie man zu einer derartigen Gewichtungsfunktion kommen kann, wird weiter unten erläutert. Vor dieser Erläuterung wird auf verschiedene Möglichkeiten eingegangen, die Information über den zeitlichen Verlauf zu erhalten. At 64, the measurement is weighted for evaluation. The integral over the measured fluorescence is not simply formed as in conventional methods or, in the case of gated detection, the integral over a specific time window (which can be seen as a simple weighting independent of the course over time, namely, for example, a weight +1 during the time window and a weight of 0 outside the time window), but the weighting function is chosen as a function of time. An example of how such a weighting function can be obtained is explained further below. Before this explanation, various options for obtaining the information about the course over time are discussed.
Eine erste Möglichkeit ist durch Kalibrierungsmessungen, indem die Probe in bekannte Spin- Zustände gebracht wird und dann jeweils der zeitliche Verlauf der Fluoreszenz gemessen wird. Beispielsweise kann bei einer Anwendung als Magnetfeld-Messvorrichtung zunächst ein bekanntes Magnetfeld verwendet werden, dass die Probe in einen Spin |0> oder in einen Spin |+1 > bzw. |-1> polarisiert, und dann kann jeweils der zeitliche Verlauf gemessen werden. Auf Basis dieser zeitlichen Verläufe können dann die oben genannten Maßnahmen durchgeführt werden, wenn später unbekannte Spinzustände, z.B. zur Messung unbekannter Magnetfelder, gemessen werden. Der Vorteil dieser Herangehensweise ist, dass kein genaues Wissen über die Dynamik der Probe, beispielsweise der Stickstoff-Fehlstellen-Zentren, nötig ist. Zudem kann die Messvorrichtung bei dieser Messung auch anderweitig kalibriert werden. A first possibility is through calibration measurements by bringing the sample into known spin states and then measuring the time course of the fluorescence in each case. For example, when used as a magnetic field measuring device, a known magnetic field can first be used that polarizes the sample into a spin |0> or into a spin |+1> or |-1>, and then the time profile can be measured in each case . The measures mentioned above can then be carried out on the basis of these time profiles if unknown spin states are measured later, for example to measure unknown magnetic fields. The advantage of this approach is that there is no precise knowledge of the dynamics of the sample, for example the nitrogen vacancy centers, is necessary. In addition, the measuring device can also be calibrated in another way during this measurement.
Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Information über den zeitlichen Verlauf aus vorherigem Wissen über die jeweilige Probe, beispielsweise das jeweilige Defektzentrum wie Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum, abgeleitet werden, beispielsweise aus zuvor bekannten Zerfallsraten, Übergangswahrscheinlichkeiten oder dergleichen für die verschiedenen Übergänge der Fig. 1. Dies hat den Vorteil, dass weniger Messzeit benötigt wird. In other exemplary embodiments, the information about the course over time can be derived from previous knowledge about the respective sample, for example the respective defect center such as a nitrogen vacancy center, for example from previously known decay rates, transition probabilities or the like for the various transitions in FIG. This has the advantage that less measurement time is required.
Diese beiden Ansätze können auch kombiniert werden. Beispielsweise können einige Parameter eines Systems mit Messvorrichtung und Probe mit hinreichend großer Genauigkeit vorbekannt sein, beispielsweise Übergangswahrscheinlichkeiten/Zerfallsraten, während andere Parameter wie beispielsweise die Leistung eines verwendeten Lasers oder Kopplungseffizienzen stark variieren können. Für diesen Ansatz können einige Daten gemessen werden und dann mit einem physikalischen Modell die offenen Parameter an die tatsächlichen Messdaten angefittet werden. These two approaches can also be combined. For example, some parameters of a system with measuring device and sample can be known with sufficient accuracy, for example transition probabilities/decay rates, while other parameters such as the power of a laser used or coupling efficiencies can vary greatly. For this approach, some data can be measured and then the open parameters can be fitted to the actual measurement data using a physical model.
Nunmehr wird ein Beispiel für die Bestimmung einer Gewichtungsfunktion (64 bei Fig. 6) auf Basis von Informationen über den zeitlichen Verlauf detailliert erläutert. Die Information über den zeitlichen Verlauf ist in diesem Fall der zeitliche Verlauf der Fluoreszenzsignale für Spin |0> und Spin |+1>, wie sie in den Kurven 70 und 71 der Fig. 7 dargestellt ist. Die Fluoreszenzintensität über der Zeit für Spin |0> wird im Folgenden als l|o>(t) bezeichnet (entsprechend der Kurve 70) und die Intensität für den Spin-Zustand |±1> wird mit l|±i>(t) beschrieben t bezeichnet dabei die Zeit. An example of determining a weighting function (64 in Fig. 6) based on information about the history will now be explained in detail. In this case, the information about the time profile is the time profile of the fluorescence signals for spin |0> and spin |+1>, as shown in curves 70 and 71 in FIG. The fluorescence intensity over time for spin |0> is denoted in the following as l | o > (t) denotes (corresponding to the curve 70) and the intensity for the spin state |±1> is described with l |±i> (t) where t denotes the time.
In einer allgemeinen Probe ist der Spin beispielsweise jedes Defektzentrums mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit! im Spin-Zustand |0> und entsprechend mit der Wahrscheinlichkeit 1- Ä in den Spin-Zuständen |+1> oder |-1>. Das Fluoreszenzsignal über der Zeit Im>(ΐ) ist damit gegeben durch
Figure imgf000014_0001
For example, in a general sample, the spin of each defect center is with a certain probability! in the spin state |0> and correspondingly with probability 1-Ä in the spin states |+1> or |-1>. The fluorescence signal over time Im > (ΐ) is given by
Figure imgf000014_0001
Ziel ist es nun, einen Schätzer S zu finden, so dass der Erwartungswert des Schätzers The goal now is to find an estimator S such that the expectation value of the estimator is
E[S(I)] = l (2) ist. Ein Schätzer ist dabei ein Funktional, mit dem die Intensität I über der Zeit so ausgewertet werden kann, dass der Spin-Zustand durch l ausgedrückt, bestimmt werden kann. Ein Schätzer, der zu einem guten Signal-Rausch-Verhältnis SNR führt, hat zudem die Eigenschaft, dass seine Varianz Var[S(l)] klein ist, was bedeutet, dass mit hoher Zuverlässigkeit ein Wert bei oder nahe l bestimmt wird. E[S(I)] = l (2) is. An estimator is a functional with which the intensity I can be evaluated over time in such a way that the spin state expressed by l can be determined. An estimator that leads to a good signal-to-noise ratio SNR also has the property that its variance Var[S(l)] is small, which means that a value at or near l is determined with high reliability.
Für das hier diskutierte Ausführungsbeispiel wird angenommen, dass der Schätzer S ein lineares Funktional ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen können auch nichtlineare Funktionale verwendet werden. In dem Fall eines linearen Funktionais ist die allgemeinste Form des Schätzers gegeben durch
Figure imgf000015_0001
For the exemplary embodiment discussed here, it is assumed that the estimator S is a linear functional. In other embodiments, non-linear functionals can also be used. In the case of a linear functional, the most general form of the estimator is given by
Figure imgf000015_0001
Dabei ist w(t) die gesuchte Gewichtungsfunktion für die gewichtete Messung und o eine reelle Zahl als ein Offsetparameter ist. Die obige Formel (3) bedeutet im Wesentlichen, dass nicht wie bei herkömmlichen Herangehensweisen einfach das Integral der Intensität über der Zeit ausgewertet wird, sondern ein Integral über die gewichtete Intensität über der Zeit ausgewertet wird. where w(t) is the weighting function sought for the weighted measurement and o is a real number as an offset parameter. The above formula (3) essentially means that the integral of the intensity over time is not simply evaluated as in conventional approaches, but rather an integral over the weighted intensity over time is evaluated.
Die Messung des Fluoreszenzsignales wird immer mit Rauschen behaftet sein. Unter Annahme von Poisson-Rauschen ergibt sich, dass die Varianz Var[l(t)] proportional zur Intensität l(t) des gemessenen Signals ist. The measurement of the fluorescence signal will always be subject to noise. Assuming Poisson noise, the variance Var[l(t)] is proportional to the intensity l(t) of the measured signal.
Var[I(t)\~I(t) (4) Var[I(t)\~I(t) (4)
Gleichzeitig kann angenommen werden, dass die Kovarianz Cov des Fluoreszenzsignales zwischen unterschiedlichen Zeitpunkten verschwindet,
Figure imgf000015_0002
für t F t2 (5)
At the same time, it can be assumed that the covariance Cov of the fluorescence signal between different points in time disappears,
Figure imgf000015_0002
for t F t 2 (5)
Diese Annahme ist für praktisch relevante Messungen in guter Näherung gültig. Sie besagt, dass die Wahrscheinlichkeit, ein Photon zum Zeitpunkt ti zu detektieren, unabhängig von der Wahrscheinlichkeit ist, ein Photon zum Zeitpunkt fe zu detektieren. Es gibt zwar den so genannten Anti-Bunching-Effekt, gemäß dem ein Defektzentrum unmittelbar nach der Emission eines Photons kein weiteres Photon aussenden kann. Der Einfluss dieses Effektes ist jedoch für praktisch relevante Messungen vernachlässigbar. This assumption is valid for practically relevant measurements in a good approximation. It states that the probability of detecting a photon at time ti is independent of the Probability is to detect a photon at time fe. There is the so-called anti-bunching effect, according to which a defect center cannot emit another photon immediately after emitting a photon. However, the influence of this effect is negligible for practically relevant measurements.
Wenn nur ein einzelnes Defektzentrum betrachtet wird, werden in einem guten Messaufbau 200000 Photonen pro Sekunde detektiert. Das entspricht einem Photon pro 5000 ns. Folglich kann bei jedem Messdurchlauf (in dem Fluoreszenz für vielleicht 200 ns gemessen wird) nicht mit mehr als einem Photon gerechnet werden. Die Messung ist also nur sinnvoll und aussagekräftig, wenn über viele Messdurchläufe gemittelt wird. Nach dem Start eines neuen Messvorgangs vergisst das System aber alles über die Vergangenheit (der Spin wird wieder neu initialisiert) . Durch diese Initialisierung verschwinden die Korrelationen zwischen den Messdurchläufen, die Kovarianz ist zwischen zwei Messdurchläufen also 0. If only a single defect center is considered, 200,000 photons per second are detected in a good measurement setup. This corresponds to one photon per 5000 ns. Consequently, no more than one photon can be expected in each measurement run (in which fluorescence is measured for perhaps 200 ns). The measurement is therefore only useful and meaningful if it is averaged over many measurement runs. However, after the start of a new measurement process, the system forgets everything about the past (the spin is reinitialized again). As a result of this initialization, the correlations between the measurement runs disappear, i.e. the covariance between two measurement runs is 0.
Bei Ensembles mit vielen Defektzentren liegt zwar ein deutlich stärkeres Signal vor, sodass nicht zwangsläufig über viele Messdurchläufe gemittelt werden muss. Jedoch kommt dieses starke Signal dadurch zustande, dass viele Defektzentren gleichzeitig gemessen werden. Man kann in den meisten Fällen annehmen, dass Fluoreszenz zweier unterschiedlicher Defektzentren statistisch unabhängig voneinander ist, was wieder einer Kovarianz von 0 entspricht. In the case of ensembles with many defect centers, there is a significantly stronger signal, so that averaging over many measurement runs does not necessarily have to be carried out. However, this strong signal is due to the fact that many defect centers are measured simultaneously. In most cases, one can assume that fluorescence from two different defect centers is statistically independent of one another, which again corresponds to a covariance of 0.
Um die in Formel (2) genannt Bedingung zu erfüllen, muss die Gewichtungsfunktion folgende Eigenschaft erfüllen:
Figure imgf000016_0001
In order to fulfill the condition stated in formula (2), the weighting function must fulfill the following property:
Figure imgf000016_0001
Unter Verwendung von Formeln (3), (4) und (5) ergibt sich hieraus für die Varianz des Schätzers
Figure imgf000016_0002
Using formulas (3), (4) and (5), this results in the variance of the estimator
Figure imgf000016_0002
Folglich ergibt sich das folgende Optimierungsproblem: minimiere
Figure imgf000017_0001
unter der Nebenbedingung (t)]dt = 1 (8)
Figure imgf000017_0002
o
Consequently, the following optimization problem arises: minimize
Figure imgf000017_0001
under the constraint (t)]dt = 1 (8)
Figure imgf000017_0002
O
Um dieses Problem zu lösen, muss l(t) bestimmt werden. Da gemäß Formel (4) Var(/(t))~/(t), kann l(t) dazu benutzt werden, um das Unwissen über das System vor der Durchführung der Messung im Sinne der Bayesschen Statistik zu modellieren. Unwissen über das System vor der Durchführung der Messung bedeutet im konkreten Fall, dass der Spin bzw. l vor der Messung nicht bekannt ist. In order to solve this problem, l(t) has to be determined. Since according to formula (4) Var(/(t))~/(t), l(t) can be used to model the ignorance about the system prior to making the measurement in terms of Bayesian statistics. In this specific case, ignorance about the system before the measurement is carried out means that the spin or l is not known before the measurement.
Eine mögliche Wahl ist die Annahme, dass das Unwissen über den Spin-Zustand maximal ist, was bedeutet, dass in 50 % der Fälle das System im Spin-Zustand |0> ist und in den anderen 50 % der Fälle im Spin-Zustand |±1> ist. Dies führt zu
Figure imgf000017_0003
One possible choice is to assume that the ignorance about the spin state is maximal, which means that 50% of the time the system is in the spin state |0> and the other 50% of the time it is in the spin state | ±1>. this leads to
Figure imgf000017_0003
Wenn mehr über die Messung oder das System bekannt ist, kann hier auch eine andere Gewichtung als 50 % gewählt werden. Die Gleichung (9) gibt die Intensität l(t) unter der Annahme, dass jeder Spin-Zustand mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 % vorliegt, an. If more is known about the measurement or the system, a weight other than 50% can also be selected here. Equation (9) gives the intensity l(t) assuming that each spin state is present with a probability of 50%.
Unter Verwendung des Skalarprodukts <fi|f2>i für zwei Funktionen fi (t)|f2(t) gemäß
Figure imgf000017_0004
kann man das Optimierungsproblem gemäß Formel (8) wie folgt schreiben minimiere (w|w) unter der Nebenbedingung
Figure imgf000017_0005
Dieses Optimierungsproblem hat nun eine einfache geometrische Interpretation: die Suche nach w(t) entspricht der Suche nach dem kürzesten Verbindungsvektor in der durch das Skalarprodukt gemäß Formel (10) gegebenen Norm zwischen dem Ursprung und einer Ebene. Die Ebene ist durch die Nebenbedingungen beschrieben und hat den Normalenvektor
Figure imgf000018_0001
Using the scalar product <fi|f2>i for two functions fi (t)|f2(t) according to
Figure imgf000017_0004
one can write the optimization problem according to formula (8) as follows minimize (w|w) under the constraint
Figure imgf000017_0005
This optimization problem now has a simple geometric interpretation: the search for w(t) corresponds to the search for the shortest connection vector in the norm given by the scalar product according to formula (10) between the origin and a plane. The plane is described by the constraints and has the normal vector
Figure imgf000018_0001
Dies bedeutet, dass der oben angesprochene Verbindungsvektor parallel zu dem Normalenvektor der Ebene sein muss. This means that the connection vector mentioned above must be parallel to the normal vector of the plane.
Mit entsprechender Normierung ergibt sich dann für die gesuchte Gewichtungsfunktion w(t)
Figure imgf000018_0002
kann allgemein als Normierungsfaktor c angesehen werden.
With appropriate normalization, the result for the weighting function w(t) is
Figure imgf000018_0002
can generally be regarded as the normalization factor c.
Gemäß der Formel (12) kann also, wenn der zeitliche Verlauf von l|±i>(t) und l|o>(t) als Information über den zeitlichen Verlauf zur Verfügung steht, die Gewichtungsfunktion w(t) bestimmt werden. According to the formula (12), if the time profile of l |±i> (t) and l | o > (t) is available as information about the time profile, the weighting function w(t) can be determined.
Daraus ergibt sich dann für das Signal-Rausch-Verhältnis SNRW für diese Gewichtungsfunktion w(t)
Figure imgf000019_0001
This then results in the signal-to-noise ratio SNR W for this weighting function w(t)
Figure imgf000019_0001
Zur Veranschaulichung des Effektes der Benutzung einer derartigen Gewichtungsfunktion wird nun mit einer herkömmlichen Herangehensweise der Gated-Detektion verglichen. Hierfür werden die Fluoreszenzsignale der Fig. 7 verwendet. Auf dieser Basis wird gemäß Formel (12) die Gewichtungsfunktion wopt(t) eine Gewichtungsfunktion, die einer herkömmlichen Gated- Detektion entspricht, und hier als wgated(t) bezeichnet wird, bestimmt. Das Zeitfenster für die Gated-Detektion wird so bestimmt, dass das Signal-Rausch-Verhältnis maximiert wird. Die Gewichtungsfunktion wopt(t) wird in Fig. 8 durch eine Kurve 80 repräsentiert, die Gewichtungsfunktion wgated(t) durch eine Kurve 81 , das heißt das Fenster reicht hier von 0 bis etwas über 250 ns, danach nimmt die Gewichtungsfunktion wgated(t) den Wert 0 an, das heißt das Zeitfenster ist vorbei. To illustrate the effect of using such a weighting function, a comparison is now made with a conventional gated detection approach. The fluorescence signals of FIG. 7 are used for this. On this basis, the weighting function w opt (t) is determined according to formula (12), a weighting function which corresponds to conventional gated detection and is referred to here as w gated (t). The time window for gated detection is determined in such a way that the signal-to-noise ratio is maximized. The weighting function w opt (t) is represented in FIG. 8 by a curve 80, the weighting function w gated (t) by a curve 81, ie the window here ranges from 0 to a little over 250 ns, after which the weighting function w gated increases (t) has the value 0, i.e. the time window is over.
Ein Vergleich der Signal-Rausch-Verhältnisse auf Basis von Gleichung (13) ergibt
Figure imgf000019_0002
A comparison of the signal-to-noise ratios based on equation (13) results
Figure imgf000019_0002
Das heißt, dass das Quadrat des Signal-Rausch-Verhältnisses mit der Gewichtungsfunktion auf Basis der Information über den zeitlichen Verlauf umfasst, 17 % höher ist als das bestmögliche Signal-Rausch-Verhältnis2 bei herkömmlicher Gated-Detektion. Diese 17 % entsprechen einer Signalverbesserung, die bei 17 % zusätzlicher Messzeit oder 17 % verbesserte Detektionseffizienz möglich wäre. Zudem ist diese verbesserte Signalverarbeitung relativ einfach mit Software zu implementieren und benötigt keine spezielle Hardware, insbesondere da bei den meisten Messvorrichtungen ohnehin Photonen mit hoher Zeitauflösung gezählt werden. This means that the square of the signal-to-noise ratio with the weighting function based on the information over time is 17% higher than the best possible signal-to-noise ratio 2 in conventional gated detection. This 17% corresponds to a signal improvement that would be possible with 17% additional measurement time or 17% improved detection efficiency. In addition, this improved signal processing is relatively easy to implement with software and does not require any special hardware, especially since most measuring devices anyway count photons with high time resolution.
Der zeitliche Verlauf von Fluoreszenzsignalen l(t) hängt von verschiedenen Parametern ab, unter anderem auch von der Laserleistung und damit vom Sättigungsparameter. Fig. 9 zeigt die erwartete Signalverbesserung (Verbesserung von SNR2) über dem Sättigungsparameter. Wie man sieht, ist für kleine Laserleistungen eine Verbesserung von 25 % möglich und für große Leistungen um 22 %, mindestens aber 14 %. Da durch Hardware-Verbesserungen Detektionseffizienz nur noch schwer steigerbar und Messzeit kostbar ist, sind derartige Steigerungen in der Praxis ein großer Zugewinn. Die oben beschriebenen Techniken können wie bereits erwähnt in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine spinabhängige Fluoreszenz detektiert wird, beispielsweise in Mikroskopen für Forschungsanwendungen oder auch Sensoren beispielsweise zur Magnetfeldmessung. Wie bereits erläutert, stellen die obigenThe time profile of fluorescence signals l(t) depends on various parameters, including the laser power and thus the saturation parameter. 9 shows the expected signal improvement (improvement of SNR 2 ) versus the saturation parameter. As can be seen, an improvement of 25% is possible for small laser powers and by 22%, but at least 14%, for high powers. Since it is difficult to increase detection efficiency through hardware improvements and measurement time is valuable, such increases are a great gain in practice. As already mentioned, the techniques described above can be used in various applications in which a spin-dependent fluorescence is detected, for example in microscopes for research applications or sensors, for example for measuring magnetic fields. As explained above, the above
Ausführungsbeispiele lediglich Beispiele dar und sind nicht als einschränkend auszulegen. So können beispielsweise durch Annahme anderer Wahrscheinlichkeiten über das System oder durch Verwendung eines nicht linearen Funktionais wie oben beschrieben auch andere Gewichtungsfunktionen erzielt werden, die auf eine jeweilige Anwendung angepasst werden können. Embodiments merely represent examples and are not to be construed as limiting. For example, by assuming other probabilities across the system or by using a non-linear functional as described above, other weighting functions can also be achieved, which can be adapted to a particular application.

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Verfahren zum Untersuchen einer Probe (54), aufweisend: A method of examining a sample (54) comprising:
Messen einer spinabhängigen Fluoreszenz von der Probe (54), und Auswerten der Messung der spinabhängigen Fluoreszenz, wobei das Auswerten unter Verwendung einer Information über den zeitabhängigen Verlauf der spinabhängigen Fluoreszenz erfolgt, wobei das Auswerten der Messung unter Verwendung der Information über den zeitabhängigen Verlauf ein Gewichten der Messung mit einer Gewichtungsfunktion, die auf der Information über den zeitabhängigen Verlauf beruht, umfasst. Measuring a spin-dependent fluorescence from the sample (54), and evaluating the measurement of the spin-dependent fluorescence, the evaluating using information about the time-dependent course of the spin-dependent fluorescence, wherein the evaluating the measurement using the information about the time-dependent course involves weighting the measurement with a weighting function based on the information about the time-dependent course.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Information über den spinabhängigen Verlauf auf Eigenschaften fluoreszenzemittierender Komponenten der Probe basiert. 2. The method as claimed in claim 1, wherein the information about the spin-dependent course is based on properties of fluorescence-emitting components of the sample.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Information über den zeitabhängigen Verlauf auf Kalibrierungsmessungen der Probe (54) in einem ersten Spin-Zustand und einem von dem ersten Spin-Zustand verschiedenen zweiten Spin-Zustand basiert. The method of claim 1 or 2, wherein the information about the time-dependent history is based on calibration measurements of the sample (54) in a first spin state and a second spin state different from the first spin state.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Probe Stickstoff-Fehlstellen- Zentren in einer Diamantstruktur enthält. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the sample contains nitrogen vacancy centers in a diamond structure.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Messen unter Verwendung der Information über den zeitabhängigen Verlauf der spinabhängigen Fluoreszenz erfolgt. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the measurement is carried out using the information about the time-dependent course of the spin-dependent fluorescence.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Messen unter Verwendung der Information über den zeitabhängigen Verlauf ein Kalibrieren einer für das Messen verwendeten Messvorrichtung auf Basis der Information umfasst. 6. The method according to claim 5, wherein the measuring using the information about the time-dependent course comprises calibrating a measuring device used for the measuring based on the information.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Kalibrieren der Messvorrichtung ein Kalibrieren eines Beginns einer Integration eines beim Messen erhaltenen Signals relativ zu einem Beginn eines Laserpulses (33) zum Anregen der Probe (54) auf Basis eines Beginns eines Anstiegs der spinabhängigen Fluoreszenz umfasst. 7. The method of claim 6, wherein calibrating the measuring device comprises calibrating a start of integration of a signal obtained during measurement relative to a start of a laser pulse (33) for exciting the sample (54) based on a start of an increase in spin-dependent fluorescence.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Auswerten der Messung unter Verwendung der Information über den zeitabhängigen Verlauf ein Erhalten einer Information über einen Spin-Zustand der Probe (54) basierend auf der Information über den zeitabhängigen Verlauf umfasst. The method according to any one of claims 1 to 7, wherein evaluating the measurement using the time-dependent history information comprises obtaining information about a spin state of the sample (54) based on the time-dependent history information.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Probe ein oder mehrere Fluoreszenzzentren aufweist, wobei jedes Fluoreszenzzentrum in einem ersten Spin- Zustand oder in einem zweiten Spin-Zustand ist, und wobei die Gewichtungsfunktion eine Funktion eines zeitabhängigen Verlaufs einer Fluoreszenzintensität für den ersten Spin-Zustand und eines zeitabhängigen Verlaufs der Fluoreszenzintensität für den zweiten Spin-Zustand ist. 9. The method according to any one of claims 1 to 8, wherein the sample has one or more fluorescence centers, each fluorescence center in a first spin state or in a second spin state, and wherein the weighting function is a function of a time-dependent course of a fluorescence intensity for is the first spin state and a time-dependent profile of the fluorescence intensity for the second spin state.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Gewichtungsfunktion w(t) durch
Figure imgf000022_0001
gegeben ist, wobei l|o>(t) der zeitliche Verlauf für den ersten Spin-Zustand, l|±i>(t) der zeitliche Verlauf für den zweiten Spin-Zustand und c ein Normierungsfaktor ist.
10. The method according to claim 9, wherein the weighting function w(t) by
Figure imgf000022_0001
is given, where l | o > (t) the time course for the first spin state, l |±i> (t) the time course for the second spin state and c is a normalization factor.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Normierungsfaktor c durch
Figure imgf000022_0002
gegeben ist.
11. The method according to claim 10, wherein the normalization factor c by
Figure imgf000022_0002
given is.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei die Probe ein oder mehrere Fluoreszenzzentren aufweist, wobei jedes Fluoreszenzzentrum in einem ersten Spin- Zustand oder in einem zweiten Spin-Zustand ist, und wobei Information über den zeitabhängigen Verlauf einen zeitabhängigen Verlaufs einer Fluoreszenzintensität für den ersten Spin-Zustand und einen zeitabhängigen Verlaufs der Fluoreszenzintensität für den zweiten Spin-Zustand umfasst. 12. The method according to any one of claims 1 to 11, wherein the sample has one or more fluorescence centers, each fluorescence center being in a first spin state or in a second spin state, and information about the time-dependent course of a time-dependent course of a fluorescence intensity for the first spin state and a time-dependent profile of the fluorescence intensity for the second spin state.
13. Messvorrichtung zur Untersuchung einer Probe (54), umfassend: einen Detektor (53) zum Messen einer spinabhängigen Fluoreszenz von der Probe (54), und eine Steuer-/Auswerteeinrichtung (50) zum Steuern der Messung der spinabhängigen Fluoreszenz und zum Auswerten der Messung, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, die das Auswerten der Messung unter Verwendung einer Information über den zeitabhängigen Verlauf der spinabhängigen Fluoreszenz durchzuführen, wobei das Auswerten der Messung unter Verwendung der Information über den zeitabhängigen Verlauf ein Gewichten der Messung mit einer Gewichtungsfunktion, die auf der Information über den zeitabhängigen Verlauf beruht, umfasst. 13. Measuring device for examining a sample (54), comprising: a detector (53) for measuring a spin-dependent fluorescence from the sample (54), and a control/evaluation device (50) for controlling the measurement of the spin-dependent fluorescence and for evaluating the Measurement, wherein the device is set up to carry out the evaluation of the measurement using information about the time-dependent profile of the spin-dependent fluorescence, wherein the evaluation of the measurement using the information about the time-dependent profile involves weighting the measurement with a weighting function based on the Information about the time-dependent course is based, includes.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, weiterhin umfassend eine Lichtquelle (51) zum Anregen der Probe (54). 14. The apparatus of claim 13, further comprising a light source (51) for exciting the sample (54).
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, weiter umfassend einen Mikrowellenstrahler (52) und/oder eine Magnetfeldvorrichtung zum Manipulieren eines Spin-Zustandes der Probe (54). 15. The device according to claim 13 or 14, further comprising a microwave emitter (52) and/or a magnetic field device for manipulating a spin state of the sample (54).
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 eingerichtet ist. 16. Device according to one of claims 13 to 15, wherein the device for carrying out the method according to one of claims 1 to 12 is set up.
17. Computerprogramm mit einem Programmcode, der, wenn er auf einer Recheneinrichtung ausgeführt wird, bewirkt, dass das Auswerten der Messung unter Verwendung der Information über den zeitabhängigen Verlauf gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1-12 durchgeführt wird. 17. A computer program with a program code which, when executed on a computing device, causes the evaluation of the measurement to be carried out using the information about the time-dependent profile according to the method according to any one of claims 1-12.
PCT/EP2021/068670 2020-07-15 2021-07-06 Method and device for examining a sample using spin-dependent fluorescence WO2022013012A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020118699.1 2020-07-15
DE102020118699.1A DE102020118699A1 (en) 2020-07-15 2020-07-15 Method and device for examining a sample with spin-dependent fluorescence

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022013012A1 true WO2022013012A1 (en) 2022-01-20

Family

ID=77050972

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2021/068670 WO2022013012A1 (en) 2020-07-15 2021-07-06 Method and device for examining a sample using spin-dependent fluorescence

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102020118699A1 (en)
WO (1) WO2022013012A1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019130480A1 (en) * 2019-01-08 2020-07-09 Lockheed Martin Corporation RF WINDOWING FOR MAGNETOMETRY
DE102019119212A1 (en) 2019-07-16 2021-01-21 Carl Zeiss Ag Devices and methods for magnetic field-dependent optical detection
DE102019119213A1 (en) 2019-07-16 2021-01-21 Carl Zeiss Ag Devices and methods for microscopy for three-dimensional super resolution

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10147460B8 (en) 2001-09-20 2008-01-17 Hahn-Meitner-Institut Berlin Gmbh Method and device for measuring time-resolved spin-dependent recombination processes in organic and inorganic semiconductors
US9459210B2 (en) 2012-05-08 2016-10-04 University Of Calcutta Static magnetic field induced differential fluorescence emission
WO2014165505A1 (en) 2013-04-02 2014-10-09 President And Fellows Of Harvard College Nanometer scale quantum thermometer
WO2017011393A1 (en) 2015-07-10 2017-01-19 Stc.Unm Magnetic resonance spectrometer
US10895617B2 (en) 2016-05-24 2021-01-19 President And Fellows Of Harvard College Nanoscale nuclear quadrupole resonance spectroscopy
JP7225545B2 (en) 2017-02-21 2023-02-21 日新電機株式会社 Detection device and detection method
US20180252781A1 (en) 2017-03-01 2018-09-06 Research Foundation Of The City University Of New York Method for ultra-dense data storage via optically-controllable paramagnetic centers
WO2018226784A2 (en) 2017-06-06 2018-12-13 President And Fellows Of Harvard College Order of magnitude improvement in t*2 via control and cancellation of spin bath induced dephasing in solid-state ensembles

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019130480A1 (en) * 2019-01-08 2020-07-09 Lockheed Martin Corporation RF WINDOWING FOR MAGNETOMETRY
DE102019119212A1 (en) 2019-07-16 2021-01-21 Carl Zeiss Ag Devices and methods for magnetic field-dependent optical detection
DE102019119213A1 (en) 2019-07-16 2021-01-21 Carl Zeiss Ag Devices and methods for microscopy for three-dimensional super resolution

Non-Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A. GOTTSCHOLL ET AL.: "Room Temperature Initialisation and Readout of Intrinsic Spin Defects in a Van der Waals Crystal", ARXIV:1906.03774
D. REIDEL ET AL.: "Resonant addressing and manipulation of silicon vacancy qubits in silicon carbide", ARXIV1210.0505V1
DAVID A HOPPER ET AL: "Spin Readout Techniques of the Nitrogen-Vacancy Center in Diamond", ARXIV.ORG, CORNELL UNIVERSITY LIBRARY, 201 OLIN LIBRARY CORNELL UNIVERSITY ITHACA, NY 14853, 14 September 2018 (2018-09-14), XP081191159, DOI: 10.3390/MI9090437 *
GUPTA A. ET AL: "Efficient signal processing for time-resolved fluorescence detection of nitrogen-vacancy spins in diamond", JOURNAL OF THE OPTICAL SOCIETY OF AMERICA - B., vol. 33, no. 3, 15 January 2016 (2016-01-15), US, pages B28, XP055843306, ISSN: 0740-3224, DOI: 10.1364/JOSAB.33.000B28 *
JOHN F BARRY ET AL: "Sensitivity Optimization for NV-Diamond Magnetometry", ARXIV.ORG, CORNELL UNIVERSITY LIBRARY, 201 OLIN LIBRARY CORNELL UNIVERSITY ITHACA, NY 14853, 28 May 2020 (2020-05-28), XP081663273, DOI: 10.1103/REVMODPHYS.92.015004 *
SHIN CHANG S ET AL: "Room-temperature operation of a radiofrequency diamond magnetometer near the shot-noise limit", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, US, vol. 112, no. 12, 15 December 2012 (2012-12-15), pages 124519 - 124519, XP012167402, ISSN: 0021-8979, [retrieved on 20121228], DOI: 10.1063/1.4771924 *
THOMAS JUNG ET AL: "Spin Measurements of NV Centers Coupled to a Photonic Crystal Cavity", ARXIV.ORG, CORNELL UNIVERSITY LIBRARY, 201 OLIN LIBRARY CORNELL UNIVERSITY ITHACA, NY 14853, 17 July 2019 (2019-07-17), XP081443217 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102020118699A1 (en) 2022-02-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0941466B1 (en) Method and device for determining predetermined properties of target particles of a sample medium
DE60018932T2 (en) LAYER THICKNESS MEASUREMENT USING INELASTIC ELECTRONIC SPREADING
DE202011052060U1 (en) STED fluorescent light microscope with pulsed excitation, continuous stimulation and temporally resolved registration of spontaneously emitted fluorescent light
DE102011055272B4 (en) Method for determining a relaxation time-dependent parameter for a system
DE102008014060A1 (en) Method for determining a phase position of a magnetization and magnetic resonance system
EP1747482B1 (en) Stabilization of a scintillation detector
DE102019130480A1 (en) RF WINDOWING FOR MAGNETOMETRY
EP0979402B1 (en) Method for optical detection of analyte molecules in a natural biological medium
EP2380008A1 (en) Method and system for characterizing a sample by means of imaging fluorescence microscopy
DE10032345C2 (en) Method for correcting interference on the MR signals of a substance arranged in the measurement volume of an MR apparatus, and MR apparatus for carrying out the method and computer unit
EP3159681B1 (en) Method and device for automatable determination of the detection threshold and the relative error in the quantification of the concentration of a substance to be tested in a measuring probe
EP3752818B1 (en) Fluorescence-lifetime imaging microscopy method having time-correlated single-photon counting
DE102013201459B4 (en) Method for measuring the concentration of a gas component in a sample gas
EP1875293B1 (en) High-resolution optical microscopy featuring fluorescence transient measurement
WO2022013012A1 (en) Method and device for examining a sample using spin-dependent fluorescence
DE102013213362A1 (en) Method for identifying and quantifying emitting particles in systems
DE19702914A1 (en) Method of determining predetermined properties of target particles in sample medium
DE3514530A1 (en) NUCLEAR MISSION MACHINE
WO2015028365A1 (en) Analysis method for determining the types and concentrations of biological particles
DE102007044939A1 (en) Method for determining the absolute number of electron spins in an extended sample
WO2014059983A1 (en) Microscope and a method for examining a sample using a microscope
DE102020204237A1 (en) Method and sensor device for measuring magnetic fields
WO2004065944A2 (en) Method for analyzing the luminescence of chemical and/or biological samples
DE102020206218A1 (en) Sensor device and method for measuring magnetic fields
DE102022100420B3 (en) Measuring arrangement for the precise measurement of small distances

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21745932

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21745932

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1