Fraunhofer IAF

Mit Diamant und Laser kleinste Magnetfelder im Gehirn messen

| Autor / Redakteur: / Kathrin Schäfer

Bildgebende Verfahren wie die Magnetresonanz­tomographie (MRT) er-
möglichen es, Hirnaktivitäten zu detektieren und Krankheiten frühzeitig zu behandeln.
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Bildgebende Verfahren wie die Magnetresonanz­tomographie (MRT) er-
möglichen es, Hirnaktivitäten zu detektieren und Krankheiten frühzeitig zu behandeln. (Bild: © okrasyuk – stock.adobe.com)

Im Juli startete ein Forschungsprojekt mit einem völlig neuartigen Ansatz zur Messung von Magnetfeldern im Gewebe: Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF möchten das weltweit erste Laserschwellen-Magnetometer entwickeln.

  • Mithilfe von atomaren Stickstoff-Vakanz-Zentren in Diamant eine ultra-sensitive Laserschwellen-Magnetometrie realisieren
  • Hirn- und Herzaktivitäten von Ungeborenen bestimmen
  • Diamanten mit NV-Zentren anreichern

Die Messung von Magnetfeldern gehört inzwischen zum Standard in der medizinischen Diagnostik. In unseren Nervenzellen des Gehirns oder Herzens fließen kleinste elektrische Ströme, die schwache Magnetfelder erzeugen. Präzise Magnetfeldsensoren können so die Aktivitäten von Gehirn (MEG) oder Herz (MKG) messen und ermöglichen bildgebende Verfahren wie die Magnetresonanztomographie (MRT), um Krankheiten zu detektieren. Die notwendige Präzision der Messungen erreichen jedoch nur wenige hochsensitive Magnetfeldsensoren, üblicherweise bei extremer Tieftemperaturkühlung.

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„Die meisten Magnetometer haben keine ausreichende Präzision, um die schwachen Signale des Gehirns zu messen. Die üblichen hochsensitiven Magnetfeldsensoren, wie etwa die SQUID-Sensoren, funktionieren nur bei extremer Kühlung, was ihren Betrieb sehr kostenintensiv und technologisch aufwändig macht. Neue Sensortechnologien wie Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV-Zentren) oder Dampfzellen-Magnetometer können hier eine wichtige Alternative sein“, erklärt Dr. Jan Jeske, Projektleiter von Di-La-Mag.

Durch die Erforschung neuer quantenphysikalischer Systeme und Materialverbesserungen ergeben sich innovative Möglichkeiten für hochempfindliche Sensortechnologien. Im Forschungsprojekt Di-La-Mag soll mithilfe von atomaren Stickstoff-Vakanz-Zentren in Diamant eine ultra-sensitive Laserschwellen-Magnetometrie realisiert werden. Hierfür arbeiten die Forscher am Fraunhofer IAF an der Entwicklung der weltweit ersten hoch NV-dotierten Diamant-Laserkristalle. Mit hochsensitiven Magnetfeldsensoren, die für eine biologische Anwendung geeignet sind, wäre es beispielsweise möglich, Hirn- und Herzaktivitäten von Ungeborenen zu bestimmen und damit Krankheiten frühzeitig zu behandeln.

Die Laserschwellen-Magnetometrie als weltweit neuer Forschungsansatz

Die Laserschwellen-Magnetometrie (LSM) ist ein weltweit neuer Forschungsansatz. Das Neue daran: Für die Entwicklung von hochpräzisen Laserschwellen-Magnetfeldsensoren soll NV-dotierter Diamant als Lasermedium eingesetzt werden. Jeske hat das Konzept während seiner Postdoktorandenstelle an der RMIT University in Melbourne mitentwickelt. „Die grundlegende Idee der LSM basiert darauf, ein Material als Lasermedium einzusetzen, das über eine optisch detektierbare magnetische Resonanz verfügt. Aufgrund seiner Materialeigenschaften ist Diamant mit einer hohen Dichte an NV-Zentren für den Einsatz als Lasermedium besonders geeignet“, erläutert Jeske.

Die Forscher gehen davon aus, dass mit NV-dotiertem Diamanten als Lasermedium stärkere Signale und ein höherer Kontrast erzielt werden können, was zu wesentlich präziseren Messergebnissen führt. „Ein entscheidender Vorteil ist, dass NV-Zentren in Diamant bei Raumtemperatur nutzbar sind und ihre Quanteneigenschaften beibehalten – im Gegensatz zu beispielsweise SQUID-Sensoren“, begründet der Physiker.

Ein Ziel ist der Aufbau eines NV-Diamant-Laser-Labor

„Das Messprinzip basiert auf einer Konkurrenz zwischen stimulierter und spontaner Emission, die durch kleinste magnetische Felder beeinflusst werden kann“, erläutert Jeske. Dass das Konzept der LSM nicht nur theoretisch funktioniert, haben erste Versuche bereits bewiesen: „Die Experimente haben eindeutig gezeigt, dass NV-Diamant stimulierte Emission zeigt und damit als Lasermaterial prinzipiell geeignet ist.

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Jetzt geht es darum, die optischen Eigenschaften des Diamanten zu verbessern und Messsysteme zu realisieren“, so Jeske, der nach seinem siebenjährigen Aufenthalt in Australien in die deutsche Forschungslandschaft zurückgekehrt ist.

Das Di-La-Mag-Forscherteam steht noch am Anfang seiner Arbeit: Im ersten Schritt geht es darum, Diamant durch ein Plasma-gestütztes CVD-Verfahren so zu züchten und nachzubehandeln, dass Verluste durch Absorption, Streuung sowie Doppel­brechung minimiert werden. Die Herausforderung dabei besteht darin, Diamant mit möglichst vielen NV-Zentren anzureichern, ohne die Qualität zu mindern. Anschließend plant das Projektteam, Diamantschichten mit der optimalen NV-Dichte in den Plasma-CVD-Reaktoren des Fraunhofer IAF herzustellen und relevante physikalische und optische Parameter des Materials zu charakterisieren. Hierzu wird mit dem Aufbau eines NV-Diamant-Laser-Labors die benötigte Infrastruktur am Fraunhofer IAF geschaffen.

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