Wissenschaftler entwickeln Laser

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Eine multinationale Zusammenarbeit hat zur Entdeckung eines neuen laserbasierten Diamantsensors geführt, der Magnetfelder bis zu zehnmal besser messen kann als heutige Instrumente, heißt es in einer Pressemitteilung der Universität.

Magnetfeldmessungen werden heute in der Medizin häufig eingesetzt. Die Magnetresonanztomographie (MRT), die die Verwendung eines Magneten und Radiowellen zur Untersuchung von Organen und Strukturen im Körperinneren kombiniert, hat sich zu einem wichtigen Instrument zur Untersuchung des Gehirns und des Rückenmarks und zur Suche nach frühen Anzeichen von Krankheiten entwickelt.

Andererseits können wir dank der Fortschritte in der Medizintechnik nun auch die Magnetfelder messen, die durch die elektrischen Ströme in unserem Gehirn erzeugt werden. Mit einer Technik namens Magnetenzephalographie (MEG) können Ärzte nun die Aktivität im Gehirn kartieren und nach Orten suchen, die die Quelle epileptischer Anfälle sein könnten, oder fehlerhaft funktionierende Neuronen während normaler Aktivitäten im Gehirn erkennen.

Während Technologien wie MEG ein Segen für die medizinische Gemeinschaft sind, stellt die Installation und der Betrieb dieser Maschinen eine große Herausforderung dar. Das Instrument, das das Magnetfeld messen kann, ist kostspielig und nimmt einen ganzen Raum ein, der magnetisch abgeschirmt werden muss. Außerdem sind extrem kalte Temperaturen erforderlich, um das im Instrument verwendete Helium im flüssigen Zustand zu halten. Am schwierigsten ist es, dass der Patient während dieser Messungen absolut ruhig bleiben muss.

Forscher am Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT) arbeiteten mit dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF) in Deutschland zusammen, um nach Möglichkeiten zu suchen, die Erkennung dieser Wellen zu verbessern, und fanden heraus, dass der für diese Erkennungen verwendete Diamant noch weiter verbessert werden könnte.

Diamanten sind heute Teil der Instrumente zur Magnetfeldmessung. Die Intensität des Lichts, das von den Quantendefekten auf dem Diamant ausgeht, ändert sich mit der Stärke des Magnetfelds. Die Forscher fanden jedoch heraus, dass der größte Teil des Lichts, das der Diamant aussendet, verloren geht.

Durch die Umwandlung dieses Lichts in einen Laser konnten die Forscher alles einfangen, was zu einer zehnfachen Steigerung der Erkennung des Magnetfelds führte.

Die Forscher gehen davon aus, dass ein mit ihrem laseremittierenden Diamanten hergestelltes MEG-Instrument viel kleiner sein wird als heutige Instrumente und bei Bedarf tragbar gemacht werden könnte. Anstatt still zu sitzen, könnten Patienten mit dem mit dieser neuen Technologie entwickelten MEG praktisch gehen. Da das Instrument kein flüssiges Helium benötigen würde, würde es auch bei Raumtemperatur arbeiten.

Das Instrument, dessen Bau bis zu fünf Jahre dauern könnte, wird bei der Erkennung früher Anzeichen von Krankheiten wie Demenz, Alzheimer und Epilepsie nützlich sein.

Die Forscher haben ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht.

Abstrakt

Negativ geladene Stickstoff-Leerstellenzentren (NV) in Diamant sind vielversprechende Magnetfeld-Quantensensoren. Die Theorie der Laser-Schwellenmagnetometrie sagt eine verbesserte Empfindlichkeit des NV-Zentrum-Ensembles durch erhöhte Signalstärke und Magnetfeldkontrast voraus. Hier demonstrieren wir experimentell die Laser-Schwellenmagnetometrie. Wir verwenden einen makroskopischen Laserhohlraum mit hoher Finesse, der ein hoch NV-dotiertes und gering absorbierendes Diamant-Verstärkungsmedium enthält, das bei 532 nm gepumpt und bei 710 nm resonant geimpft wird. Dies ermöglicht eine Signalleistungsverstärkung von 64 % durch stimulierte Emission. Wir testen die Magnetfeldabhängigkeit der Verstärkung und demonstrieren so die magnetfeldabhängige stimulierte Emission aus einem NV-Zentren-Ensemble. Diese Emission weist einen ultrahohen Kontrast von 33 % und eine maximale Ausgangsleistung im Milliwattbereich auf. Die kohärente Auslesung von NV-Zentren ebnet den Weg für neuartige Hohlraum- und Laseranwendungen von Quantendefekten und Diamant-NV-Magnetfeldsensoren mit wesentlich verbesserter Empfindlichkeit für den Gesundheits-, Forschungs- und Bergbausektor.