Erfolgreiches Arbeitstreffen in Stuttgart: Wichtige Fortschritte bei ODMR-Signalen

Am 21. Februar 2025 war es wieder so weit: Ein weiteres Arbeitstreffen fand vor Ort bei Hahn-Schickard in Stuttgart statt. Es wurde lebhaft über die Mikrowellenanregung, genauer gesagt über den Mikrowellengenerator und den Mikrowellenresonator diskutiert. Darüber hinaus wurde auch der aktuelle Testaufbau inspiziert. Noch besteht er aus einem grünen, aber günstigen Laser, einem diskret aufgebauten Omega-Resonator, einer Fotodiode mit aufgeklebtem Farbfilter und Mikrodiamant sowie einem einfachen Verstärker, der den Fotostrom der Fotodiode in eine Spannung wandelt. Die mechanischen Teile entstammen allesamt dem 3D-Drucker.

Der bis dato eingesetzte Mikrowellengenerator (ADF4351) sowie die zum Ansteuern benötigte Mikrocontrollerbox, die später durch die senseBox ersetzt wird, sind ebenfalls zu sehen.

Im Gepäck hatten die Kollegen vom IIS ein Demoboard desselben Mikrowellengenerators, jedoch mit etwas aufwendigerer Beschaltung. Offenbar macht das den entscheidenden Unterschied, denn mit diesem konnten wir dem Mikrodiamanten die nachfolgenden ODMR-Signale (optisch detektierbare Magnetresonanz) der Elektronenspinpaare des NVs entlocken:

Während des Versuchs wurde das Fluoreszenzlicht des Mikrodiamanten mit der Fotodiode mit Farbfilter erfasst und vom Verstärker in eine Spannung umgewandelt und mit einem Oszilloskop aufgezeichnet. Die Mikrowellenfrequenz wurde kontinuierlich im Bereich von 2,67 bis 3,07 GHz innerhalb von 30 Sekunden durchlaufen, bevor der Zyklus erneut bei 2,67 GHz startete. Daher erkennt man einen ersten Einbruch des Signals bei -12.5 s und einen zweiten bei ca. 16 s. Bei -12,5 s lassen sich zwei nah beieinander liegende Dips (= Einbrüche oder Abnahme der Fluoreszenz im gemessenen Signal) ausmachen, die um 2,87 GHz herum liegen und sich überlappen. Unsere Physikerkollegen erklären dies durch mechanische Spannungen im synthetisch hergestellten Diamanten, der unter hohem Druck und hohen Temperaturen gefertigt wurde. Diese Spannungen führen zu einer sogenannten Zeeman-Aufspaltung, sodass zwei Spinzustände (ms = -1 und ms = +1) bereits ohne externes Magnetfeld sichtbar wurden.

Die Signale von diesem einfachen Aufbau können sich in jedem Fall sehen lassen und wir sind auf unserem Weg zu einem kostengünstigen Magnetometer für die Lehre wieder einen großen Schritt vorangekommen.