Verbundprojekt: NV-basierte Messung des Vektorfelds der magnetischen Flussdichte in Magnetresonanz-Systemen (QFOR) -B

Abstract

Das Verbundprojekt „QFOR – Quantensensoren in der Forschung“ hatte zum Ziel, einen neuartigen Vektor-Magnetfeldsensor auf Basis von Stickstoff-Fehlstellen (NV-Zentren) in Diamant zu erforschen, der eine hochpräzise, dreidimensionale Messung der magnetischen Flussdichte in Magnetresonanz systemen erlaubt. Der Schwerpunkt lag auf der Erforschung und Implementierung eines Sensorsys tems, das sowohl die Amplitude als auch die Richtung des Magnetfelds mit einer Empfindlichkeit im Bereich weniger Pikotesla erfassen kann. Durch die Nutzung quantenmechanischer Eigenschaften der NV-Zentren sollten Messungen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung auch unter extremen Bedingungen, etwa in starken statischen Magnetfeldern bis über 3 Tesla, möglich werden. Diese Technologie sollte eine Echtzeitkalibrierung und -korrektur von Magnetfeldern in bestehenden Magnetresonanztomographie- (MRT-) und Elektronenspinresonanz- (ESR-) Systemen ermöglichen. Ziel war es zudem, durch einen hohen Miniaturisierungsgrad sowie durch die Entwicklung neuartiger chip-integrierter Komponenten eine Integration in bestehende Systeme zu erleichtern und gleichzeitig eine hohe Skalierbarkeit für zukünftige Anwendungen zu ermöglichen. The joint project “QFOR - Quantum Sensors in Research” aimed to research a new type of vector magnetic field sensor based on nitrogen vacancies (NV centers) in diamond, which allows high precision, three-dimensional measurement of the magnetic flux density in magnetic resonance systems. The focus was on researching and implementing a sensor system that can detect both the amplitude and the direction of the magnetic field with a sensitivity in the range of a few picotesla. By using the quantum mechanical properties of the NV centers, measurements with high spatial and temporal resolution should also be possible under extreme conditions, for example in strong static magnetic fields up to over 3 Tesla. This technology should enable real-time calibration and correction of magnetic fields in existing magnetic resonance imaging (MRI) and electron spin resonance (ESR) systems. The aim was also to facilitate integration into existing systems through a high degree of miniaturization and the development of novel chip-integrated components, while at the same time enabling a high degree of scalability for future applications.