quantenbasierte Magnetfeldsensorik

Neben der Nutzung zur Entwicklung von Produkten im Bereich Verteidigung (also einer Branche, die wir seitens cronologic bewusst nicht bedienen) profitiert insbesondere die Biomedizin von den neuen Entwicklungen. Der Grundgedanke im biomedizinischen des Quantum Sensing ist: Sobald magnetische oder elektrische Felder in lebenden Organismen aufgespürt werden können, lassen sich diese sich auch für präzise Bildgebung einsetzen. Und sind an den zu untersuchenden Zellstrukturen keine geeigneten Felder vorhanden, so werden medizinische Biomarker z.B. in Form von magnetisierten Nanopartikeln eingesetzt, womit auch hier eine Bildgebung möglich wird.

Magnetometer, die auf Quantum Sensing basieren, bieten grundsätzlich eine deutlich höhere Genauigkeit bei der Messung von magnetischen Feldern, da sie externe Magnetfelder auf atomarer Ebene charakterisieren. Gerade auch in der Kardiologie und Neurologie ermöglichen solche neuen Sensoren für Biomagnetismus bessere Diagnosen. Vor Vorteil wären diese z.B. in der Magnetresonanztomographie (MRT). Während konventionelle MRT-Geräte herkömmliche Magnetometer verwenden, um die Magnetfelder zu messen, welche von den Wasserstoffatomen in den Geweben des Körpers erzeugt werden, könnten quantensensitive Magnetometer eine deutlich größere Enpfindlichkeit zur Messung dieser schwache Magnetfelder bieten. Schon heute ist klar, dass die mit der Quantentechnologie mögliche Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses eine höhere Präzision ermöglicht, welche die Bildqualität erheblich verbessern wird.

Der Kern eines solchen quantensensitiven Magnetometers besteht aus Quantum-Sensing-Detektoren. Häufig werden dabei Rubidium-Atome verwendet, die mit Hilfe von Laserstrahlen in einen bestimmten Quantenzustand versetzt werden, denn für die zur Laserkühlung von Rubidium relevanten Wellenlängen stehen vergleichsweise günstige Laserdioden zur Verfügung. Dieser Prozess wird als "Präparation" bezeichnet und stellt in der jeweiligen Messumgebung sicher, dass die Quanten-Detektoren in erster Line für das externe Magnetfeld empfindlich sind. Im Rahmen der biologischen Bildgebung interagiert das externe Magnetfeld mit dem untersuchten Gewebe und beeinflusst den Quantenzustand der verwendeten Detektoren. Die Änderungen im Quantenzustand sind dabei in der Regel zur Stärke und Richtung des Magnetfeldes proportional. Die Detektion dieser Wechselwirkung dient als Grundlage für die Auswertung der Quantenzustände. Im Rahmen der Datenakquise werden dabei die Messergebnisse in digitale Signale umgewandelt und an die Bildgebungseinheit (z.B. eines des MRT-Geräts) weitergeleitet.

Die Stickstoff-Fehlstellen-Magnetometrie (Nitrogen vacancy magnetometry) z.B. basiert auf optisch detektierter Magnetresonanz (ODMR). Dabei werden einzelne Stickstoff-Fehlstellenzentren (NV-Zentren) in Diamanten als Quantendetektoren verwendet, um Magnetfelder mit hoher Empfindlichkeit und entsprechender Genauigkeit zu messen.

Die quantenmechanischen Eigenschaften eines einzelnen Stickstoffatoms, welches an einer Leerstelle im Diamantgitter sitzt, macht dieses Atom dabei für magnetische Felder empfindlich. Genauer gesagt macht sich diese Messmethode den Elektronenspin des Kristalldefekts zu Nutze, um mittels optischer Auslesung von Photoenemissionen Änderungen des Magnetfeldes zu erfassen.

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