NanoSpin

Die Forschung an optisch aktiven Farbzentren in Festkörpern hat sich in der vergangenen Dekade rasant entwickelt. Vielfältige Untersuchen zur optisch detektierten Magnetresonanz (ODMR) in Festkörpern in den 1970er bis 1990er Jahren haben die Grundlage für die Entwicklung von Diamantquantensensoren geschaffen. Diamant-Magnetfeldsensoren basieren auf dem optischen Nachweis der Elektronenspinresonanz von Stickstoff-Leerstellen-Kombinationen in einem hochreinen Diamant-Kristallgitter. Die Energieaufspaltung zwischen zwei Elektronenniveaus dieser Störstellen ist proportional dem zu messenden Magnetfeld. Die zentrale Eigenschaft von solchen NV-Zentren (NV=Nitrogen/Vacancy) ist die lange Lebensdauer der erzeugten Quantenzustände. NV-Zentren bieten bedingt durch die effiziente Abschirmung innerhalb der Diamantmatrix – soweit bekannt – von allen Elektronenspin-Systemen die längsten Kohärenzzeiten im Festkörper bei Raumtemperatur. Mit Blick auf die Anwendung des Systems als Sensor ermöglicht diese Eigenschaft die genaue Bestimmung der Resonanzfrequenz. Durch Messung der Resonanzfrequenz kann somit insbesondere das Magnetfeld exakt und mit höchster Präzision bestimmt werden.

Um die Empfindlichkeit der Kernspinresonanz- (NMR-) Spektroskopie zu erhöhen, ist es erforderlich, die Polarisation, d.h. die Ausrichtung der Kernspins entlang eines extern angelegten Magnetfeldes zu verbessern. Konventionell erreicht man dies durch eine immer weitere Verstärkung des externen Magnetfeldes, wofür tonnenschwere Magnete erforderlich sind, die ganze Räume füllen.

Das vorliegende internationale Verbundprojekt entwickelt für die sogenannten Hyperpolarisation der Kernspins einen vollkommen neuen Zugang über die Nutzung der kohärenten, quantenmechanischen Kopplung der Elektronenspins von NV-Zentren an die Kernspins der umgebenden Atome. Anders als beim etablierten Verfahren können die Elektronenspins der NV-Zentren durch geeignete Laserpulse quasi vollständig ausgerichtet werden. Auf diese Weise sind schon bei Raumtemperatur Polarisationsgrade zu erreichen, die ansonsten nur bei tiefen Temperaturen und sehr hohen Magnetfeldern möglich wären. Dieser sehr hohe Polarisationsgrad des Elektronenspin-Ensembles kann nun durch Mikrowellenpulse geeigneter Frequenz und Amplitude effizient an die umgebenden Kernspins übertragen werden, so dass diese ebenfalls hyperpolarisiert werden.

Als Konsequenz kann das externe Magnetfeld sehr viel geringer sein als bei der konventionellen NMR, was eine massive Reduktion des gerätetechnischen Aufwands bedeutet. Zusätzlich soll im Projekt eine Mikrointegration der notwendigen Lasertechnik und Elektronik mit dem Ziel erfolgen ein tragbares Spektrometer für Gewebe- und Zellkulturen zur Verfügung zu stellen, das statt eines ganzen Raumes einen Platzbedarf von nur ca. einem Liter hat und das mit Kosten von weniger als 10.000 Euro erheblich günstiger als konventionelle Systeme ist, deren Preis bei etwa 10 Millionen Euro liegt.