NV-Diamant-Lasersystem Hochsensitive Quantensensorik für die Medizin

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Die Messung winziger Magnetfelder, wie sie etwa durch Hirnströme erzeugt werden, eröffnet der medizinischen Diagnostik und Behandlung viele neue Möglichkeiten. Ein Forschungsteam am Fraunhofer IAF arbeitet an einem weltweit neuartigen Ansatz zur präzisen Magnetfeldmessung: der Laserschwellen-Magnetometrie. Nun haben die Forscher ein NV-Diamant und eine Laserdiode in einem Resonator kombiniert und damit das Sensorsystem mit zwei aktiven Medien erstmals erfolgreich demonstriert.

Quantensensoren auf Basis von Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV-Zentren) in Diamant werden bereits umfangreich für präzise Magnetfeldmessungen bei Raumtemperatur und bei Hintergrundmagnetfeldern eingesetzt. Die Laserschwellen-Magnetometrie (LSM) ist ein weltweit neuartiger Forschungsansatz zur Messung kleinster Magnetfelder im Bereich von Femtotesla (fT) bis Pikotesla (pT). Darüber hinaus ermöglicht die LSM Messungen mit einem hohen dynamischen Bereich, ohne dass Hintergrundfelder unterdrückt werden müssen. Diese Merkmale machen die Laserschwellen-Magnetometrie besonders nützlich für medizinische Anwendungen, wie die Messung biomagnetischer Signale des Gehirns oder des Herzens.

Prinzip der Laserschwellen-Magnetometrie

Das wissenschaftliche Prinzip der LSM wurde bereits umfangreich theoretisch untersucht. Die Forscher am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF arbeiten seitdem an der Realisierung des ersten Laserschwellen-Magnetometers. Das Grundkonzept besteht darin, einen Laser aus NV-Zentren zu entwickeln, und mithilfe von Laserlicht, das auf Magnetfelder reagiert, präzise Informationen über die Stärke und die Richtung eines Magnetfelds zu gewinnen. Die Laserschwelle ist der Punkt, an dem der Laser zu leuchten beginnt bzw. aufhört. Da sich Magnetfelder nahe der Laserschwelle sehr stark auf das Signal auswirken, können sie an dieser Stelle besonders präzise gemessen werden. Verglichen mit Fluoreszenzlicht können Lasersignale wesentlich genauer und über einen größeren dynamischen Bereich gemessen werden.

2022 ist es den Forschern am Fraunhofer IAF bereits gelungen, die weltweit erste magnetfeldabhängige Lichtverstärkung von NV-Zentren zu zeigen. Aufgrund der externen Laserquelle konnte die Laserschwelle der NV-Zentren jedoch noch nicht realisiert werden.

Erstmalige Demonstration der Laserschwelle

In den aktuellen Ergebnissen haben die Forscher den NV-Diamant zusammen mit einem zweiten Lasermedium, einer Laserdiode zur zusätzlichen Lichtverstärkung, in einem optischen Resonator kombiniert. So haben sie es geschafft, die Laserschwelle erstmals zu demonstrieren: Je nachdem, wie stark die NV-Zentren angeregt wurden, ging das Lasersystem an oder aus.

„Die Ergebnisse sind ein Durchbruch für die Entwicklung der Laserschwellen-Magnetometrie. Auf dieser Basis können in Zukunft Sensoren mit bis zu 100 Prozent Kontrast, starken Lichtsignalen und einem weiten Bereich von messbaren Magnetfeldstärken realisiert werden“, sagt Dr. Jan Jeske, Forscher im Bereich Quantensensorik am Fraunhofer IAF. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Science Advances unter dem Titel „Dual-media laser system: nitrogen vacancy diamond and red semiconductor laser“ veröffentlicht.

Die Arbeit des Erstautors Lukas Lindner zeigt einen frühen Stand des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Leuchtturmprojekts „Laserschwellen-Magnetometer für neuronale Kommunikationsschnittstellen“, kurz „NeuroQ“. Aktuell arbeitet das „NeuroQ“-Projektteam an der Weiterentwicklung des neuartigen NV-Diamant-Lasersystems, das sich derzeit im Prozess der Patentanmeldung befindet, und an der Erhöhung der Sensitivität.

Das BMBF-Leuchtturmprojekt „NeuroQ“

Das „NeuroQ“-Konsortium aus Fraunhofer IAF, Charité – Universitätsmedizin Berlin, Universität Stuttgart und weiteren Industriepartnern entwickelt hochpräzise Quantensensoren für die medizinische Anwendung: Die Quantensensoren sollen die Hirnaktivität messen und die Signale mithilfe einer Gehirn-Computer-Schnittstelle (Brain-Computer-Interface) an ein Exoskelett weiterleiten. Diese Technologie soll es Gelähmten ermöglichen, ein Exoskelett mit ihren Gedanken zu steuern und so einen Teil ihrer Mobilität wiederzuerlangen.

Originalveröffentlichung: Lukas Lindner, Felix A. Hahl, Tingpeng Luo, Guillermo Nava Antonio, Xavier Vidal, Marcel Rattund, Takeshi Ohshima, Joachim Sacher, Qiang Sun, Marco Capelli, Brant C. Gibson, Andrew D. Greentree, Rüdiger Quay, Jan Jeske. „Dual-media laser system: Nitrogen vacancy diamond and red semiconductor laser“ Sci. Adv.10,eadj3933(2024). DOI: 10.1126/sciadv.adj3933

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