Ein hochempfindliches Diamant-Quantenmagnetometer mit Stickstoff-Fehlstellenzentren kann Magnetoenzephalographie (MEG) mit einer Auflösung im Millimeterbereich erreichen, wie Wissenschaftler von Tokyo Tech berichten. Das neuartige Magnetometer, das auf optisch detektierter Magnetresonanz mit kontinuierlicher Welle basiert, stellt einen bedeutenden Schritt hin zur Realisierung von MEG bei Umgebungsbedingungen und anderen praktischen Anwendungen dar.
MEG ist eine biomedizinische Bildgebungstechnik zur Kartierung der Gehirnaktivität durch Aufzeichnung der von den Neuronen im Gehirn erzeugten Magnetfelder, die durch die natürlich vorkommenden elektrischen Ströme erzeugt werden. Hierzu werden sehr empfindliche Magnetometer eingesetzt.
Derzeit ist für den Betrieb von MEG ein magnetisch abgeschirmter Raum erforderlich. Ein wichtiges Ziel ist es, MEGs zu entwickeln, die in normalen Umgebungen ohne magnetische Abschirmung funktionieren. Dies würde tägliche Diagnosen, Gehirn-Maschine-Schnittstellen und grundlegende Forschung zur Gehirnfunktion ermöglichen.
Magnetometer mit Diamant-Quantensensoren mit Stickstoff-Fehlstellenzentren (NV-Zentren) sind vielversprechende Kandidaten für die Realisierung von MEGs unter Umgebungsbedingungen. Diese Sensoren werden voraussichtlich eine deutlich bessere Auflösung im Millimeterbereich bieten als herkömmliche MEGs im Zentimeterbereich. NV-Zentren sind Defekte in der Struktur eines Diamanten, die aus einem Stickstoffatom bestehen, das ein Kohlenstoffatom neben einer Leerstelle ersetzt.
Eine gängige Methode zur Messung von Magnetfeldern mit NV-Zentren ist die optisch detektierte Magnetresonanztomographie (CW-ODMR). Bei dieser Methode wird ein kontinuierliches Mikrowellenfeld verwendet, um die Spinzustände der NV-Zentren zu manipulieren, während diese von einem Laser beleuchtet werden. Die Intensität dieser laserinduzierten Fluoreszenz ändert sich je nach äußerem Magnetfeld.
Durch die Messung dieser Fluoreszenzänderungen kann das externe Magnetfeld erkannt und gemessen werden. Im Vergleich zu anderen Methoden ist diese Methode einfacher und leichter und kann eine Auflösung im Millimeterbereich erreichen.
Aufbauend auf dieser Technologie hat ein Forscherteam aus Japan unter der Leitung von Associate Professor Naota Sekiguchi von der Fakultät für Elektro- und Elektroniktechnik des Tokyo Institute of Technology kürzlich ein neuartiges und empfindliches Diamant-Quantenmagnetometer entwickelt.
„Eine klinisch akzeptable MEG erfordert Empfindlichkeiten von mindestens der Größenordnung von Picotesla (pT) im Gleichstromfrequenzbereich von 5–100 Hz innerhalb einer angemessenen Messzeit. Derzeit erfordern Diamantmagnetometer einen Magnetflusskonzentrator (MFC), um diese Empfindlichkeit zu erreichen. MFCs verringern jedoch die inhärente räumliche Auflösung von Magnetometern.
„Zudem ist für MEGs eine kurze Messdistanz erforderlich, da der Zerfall magnetischer Felder exponentiell mit der Distanz zunimmt. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, haben wir ein empfindliches Diamantmagnetometer auf CW-ODMR-Basis entwickelt“, erklärt Sekiguchi.
Ihre Studie wurde veröffentlicht im Journal Angewandte körperliche Untersuchung.
Das neuartige Magnetometer verwendet einen einkristallinen Diamanten, der mit einem Hochdruck-Hochtemperatur-Verfahren (HPHT) hergestellt wurde. Nach der HPHT-Synthese wurde ein Stück Kristall parallel zur (111)-Kristallebene ausgeschnitten und durch Elektronenbestrahlung und anschließendes Glühen bei 1.000 °C wurden im Kristall negativ geladene NV-Zentren erzeugt.
Dieses NV-Zentralensemble wurde im Sensorkopf platziert und so konzipiert, dass es sich dem Zielobjekt bis auf etwa einen Millimeter nähert und ein Erfassungsvolumen von 4 x 10-3 mm3 hat. Das Ensemble wurde durch einen linear polarisierten grünen Laser mit einer Wellenlänge von 532 Nanometern angeregt, und eine halbkugelförmige Linse mit hohem Brechungsindex wurde verwendet, um die Sammeleffizienz der laserinduzierten Fluoreszenz zu verbessern.
Durch sorgfältige Abstimmung der Versuchsbedingungen erreichten die Forscher eine Rekordempfindlichkeit von 9,4 ± 0,1 pT Hz-1/2 im Frequenzbereich von 5–100 Hz ohne MFC. Darüber hinaus zeigte die Analyse der Allan-Abweichung, dass das Magnetometer Magnetfelder von nur 0,3 pT messen und seine bemerkenswerte Empfindlichkeit über lange Zeit aufrechterhalten kann. Darüber hinaus eignet sich sein Design für praktische Anwendungen wie die MEG eines lebenden Tieres.
Die in dieser Studie erreichte hohe Empfindlichkeit ist ein wichtiger Schritt hin zur Realisierung von MEG unter Umgebungsbedingungen mit Millimeterauflösung. Mit Blick auf die Zukunft sagt Sekiguchi abschließend: „In Zukunft planen wir, das MEG von Tieren mit den in dieser Studie entwickelten Sensoren zu messen und MEG-Messungen mit Diamant-Quantensensoren durchzuführen. Letztendlich wollen wir MEG ohne magnetische Abschirmung erreichen.“
Mehr Informationen:
N. Sekiguchi et al, Diamant-Quantenmagnetometer mit Gleichstromempfindlichkeit von unter 10 pT Hz−1/2 zur Messung des biomagnetischen Felds, Angewandte körperliche Untersuchung (2024). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.21.064010. An arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2309.04093