Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum Rastersonden-Magnetometer

• Fachliche Zuordnung: Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung in 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 506455202

Quantenmechanische Systeme sind sehr empfindlich gegenüber externen Störungen und sind dadurch gut für Anwendungen als Sensoren geeignet. Quantensensoren haben bei der Entwicklung neuartiger Technologien zur Messung physikalischer Eigenschaften wie zum Beispiel elektromagnetischer Felder, thermodynamischer Eigenschaften wie der Temperatur und mechanischer Eigenschaften wie der Rotation großes Interesse geweckt. Im Vergleich zu konventionellen, auf klassischer Physik basierenden Sensortechniken liegt der Hauptvorteil von Quantensensoren in ihrer hohen Präzision. Dieser Antrag beabsichtigt die Verwendung eines Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (NV) Rastersonden-Magnetometer, um Magnetfelder mit sehr hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu messen. Ein NV-Rastermikroskops kombiniert ein optisches konfokales Mikroskop mit einem Rasterkraftmikroskop. Ein einzelner negativ geladener NV-Defekt in einer Diamantspitze wird als Sensor zur Messung von Magnetfeldern verwendet. Dazu wird der Spinzustand des NV-Zentrums optisch initialisiert und interagiert mit dem Magnetfeld. Der resultierende Spinzustand wird mittels optisch detektierter magnetischer Resonanzspektroskopie ausgelesen. Dies ermöglicht eine präzise und quantitative Bestimmung der Magnetfelder bei Raumtemperatur. Durch Scannen der scharfen Spitze über die Probenoberfläche zeichnet das scannende NV-Magnetometer gleichzeitig eine Karte der Topografie und des Magnetstreufelds an der Oberfläche mit einer räumlichen Auflösung von bis zu ~10 nm auf. Zusätzlich zur kontinuierlichen Anregung, ermöglichen gepulste Messungen unter mit etablierten Sequenzen von optischen und Mikrowellenpulsen eine höhere Magnetfeldempfindlichkeit bis zu 0,5-1 µT sowie eine zeitliche Auflösung bis in den GHz-Bereich. Die langen und umgebungsabhängigen Kohärenzzeiten der NV-Zentren ermöglichen die Rauschspektroskopie mittels Spin-Relaxometrie. Herkömmliche Techniken zur Abbildung der Magnetisierung auf der Nanoskala wie die spinpolarisierte Rastertunnelmikroskopie und die Röntgenspektroskopie erfordern spezielle Probenvorbereitung und komplexe Versuchsaufbauten. Alternative Techniken wie die Magnetkraftmikroskopie beruhen auf der Messung von Streufeldern. Die Hauptvorteile von NV-Rastermikroskopen sind ihre Kompatibilität mit verschiedenen Proben und Umgebungen sowie, dass die Messung den Zustand der Probe nicht verändert. Das Team hinter diesem Antrag hat einen vielfältigen Hintergrund mit Fachwissen in molekularer Spintronik, neuen magnetischen Materialien und NV-Magnetometrie. Wir beabsichtigen, die einzigartigen Eigenschaften des äußerst vielseitigen NV-Rastermikroskops für ein breites Spektrum von Forschungsprojekten zu nutzen, die von der Abbildung von Domänen in magnetischen Materialien bis hin zum Nachweis der Kernresonanz in Molekülen reichen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum Rastersonden-Magnetometer
• Gerätegruppe: 0150 Geräte zur Messung der magnetischen Materialeigenschaften
• Antragstellende Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
• Leiterin: Professorin Dr. Angela Wittmann