- Der neue Diamant-Quantensensor kann die Steuerungsgenauigkeit von Gehirn-Maschine-Schnittstellen um das 590-Fache erhöhen.
- Die Technologie nutzt NV-Zentren zur Detektion schwacher Magnetfelder und bietet eine hohe Empfindlichkeit.
- Die Forschung zeigt, dass der Sensor für medizinische Tests und Navigation sowie in vielen anderen Anwendungen eingesetzt werden kann.
- Die Technologie befindet sich derzeit noch in der Entwicklung und wurde noch nicht in der Praxis getestet.
Deutsche Wissenschaftler haben kürzlich einen neuen Quantensensor auf Basis von Diamanten vorgestellt, der das Potenzial hat, es gelähmten Personen zu ermöglichen, mechanische Exoskelette nur mit ihren Gedanken zu steuern. Diese Forschung wurde vom Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF durchgeführt, und der Sensor nutzt ein Lasersystem, um schwache Magnetfelder mit hoher Empfindlichkeit zu detektieren. Im Vergleich zu bestehenden Technologien erreicht das Gerät einen optischen Kontrast von 100 % und verbessert das Gleichgewicht zwischen Empfindlichkeit und Messbereich um bis zu 590-fach.
Der Projektleiter ist Dr. Jan Jeske, ein Forscher am Institut, der das Quantensensor-Team leitet. Jeske stellte vor zehn Jahren erstmals ein theoretisches Modell für ein Diamant-Lasersystem mit Stickstoff-Vakanzen (NV-Zentren) vor. Jeske erklärte: „Ich bin sehr froh, dass wir nun experimentell die Abhängigkeit der Magnetfeldschwelle des Lasers nachweisen konnten.“ Die Anwendungen dieses Sensors könnten Gehirn-Computer-Schnittstellen, medizinische Tests, Navigation und Ressourcenexploration umfassen.
Prinzipien und Anwendungen der neuen Technologie
Sensoren zur Detektion von Magnetfeldern haben eine begrenzte Reichweite für sehr schwache Magnetfeldmessungen, während Sensoren mit größerer Reichweite normalerweise eine geringere Empfindlichkeit aufweisen. Daher hat das Forschungsteam eine Technik namens Laserthreshold-Magnetmessung entwickelt. Diese Technik basiert auf NV-Zentren, die im Wesentlichen kleine Defekte im Diamantgitter sind und auf Magnetfelder reagieren. Wenn Stickstoffatome Kohlenstoffatome im Diamanten ersetzen, entsteht ein NV-Zentrum, und der benachbarte Platz bleibt leer. Traditionelle Diamant-Quantensensoren messen das von diesen Defekten emittierte Fluoreszenzlicht. Die neue Technik platziert den Diamanten direkt in einem Laserkavität.
NV-Zentren interagieren mit dem Lichtfeld des Lasers, was dazu führt, dass Veränderungen im Magnetfeld die Laser-Ausgabe beeinflussen. Unter bestimmten Bedingungen können diese Veränderungen sogar dazu führen, dass der Laser abgeschaltet wird, was einen optischen Kontrast von 100 % erreicht. Im Vergleich dazu erreichen die meisten NV-basierten Magnet-Sensoren normalerweise nur einige Prozent Kontrast.
Das System kann Laser-Signale mit einer Leistung von bis zu 50 Milliwatt (mW) erzeugen, was viel stärker ist als die Signale traditioneller Sensoren. Berechnungen zeigen, dass diese Technik unter idealen photonischen Rauschgrenzen in der Lage ist, extrem schwache Magnetfelder mit einer Empfindlichkeit von weniger als 400 femto Tesla (fT) pro Quadratwurzel Hertz (Hz) zu erkennen. Laut dem Forschungsteam könnte diese Entdeckung, neben der Verbesserung der Magnetfeldmessung, auch gelähmten Personen helfen. Diese Signale könnten schließlich über Gehirn-Computer-Schnittstellen übertragen werden, um mechanische Exoskelette zu steuern. Weitere mögliche Anwendungen umfassen die Detektion schwacher magnetischer Signale aus dem Herzen und den Muskeln, die Verbesserung der Navigationsgenauigkeit und die Erkennung unterirdischer magnetischer Anomalien.
Herausforderungen und Perspektiven der technologischen Entwicklung
Die Technologie befindet sich jedoch noch in der Entwicklung und wurde noch nicht getestet. Florian Schall, Doktorand am Fraunhofer IAF und Erstautor der Studie, erklärte auf einer Pressekonferenz: „Unser Ansatz könnte das seit langem bestehende Kompromissproblem bei der Entwicklung und Anwendung von Magnetfeldsensoren lösen.“ Er fügte hinzu: „Dies wird den Weg für die nächste Generation mobiler, hochsensibler Magnetfeldsensoren ebnen.“ Die Forschung wurde in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Potenzielle Auswirkungen des neuen Quantensensors
Die Entwicklung dieses neuen Diamant-Quantensensors markiert einen Fortschritt in der Technologie der Gehirn-Maschine-Schnittstellen, der es gelähmten Personen ermöglicht, mechanische Exoskelette präziser zu steuern, und zeigt das Potenzial im medizinischen Bereich. Darüber hinaus könnte die hohe Empfindlichkeit und der verbesserte optische Kontrast dieser Technologie die bestehenden Standards der Magnetfeldmessung verändern und ihre Anwendungen in der Navigation und Ressourcenexploration erweitern. Allerdings befindet sich die Technologie noch in der Entwicklungsphase, und zukünftige praktische Anwendungen müssen weiter getestet und validiert werden.