Diamant und Dampfzelle bilden Mikrowellen ab

  • 12. November 2015

Zwei neue Methoden ergänzen sich bezüglich Messgeschwindigkeit und örtlicher Auflösung.

Die Abbildung von Mikrowellen-Feldern gewinnt zunehmend an Bedeutung, da Mikro­wellen für die moderne Kommuni­kations-Techno­logie unerläss­lich sind und in der medi­zinischen Diagnostik einge­setzt werden können. Zwei Forscher­teams der Uni Basel haben nun unabhängig vonein­ander zwei neue Methoden entwickelt, um Mikro­wellen­felder abzu­bilden. Beide Verfahren machen sich die Änderung von Spin­zuständen zunutze, die durch Mikro­wellen­felder ausgelöst werden.

Mikrowellenfeld abbilden

Abb.: Durch Messungen der Spinänderung von Atomen oder Elektronen lassen sich Mikrowellenfelder genauestens abbilden. (Bild: U. Basel)

Traditionell funktioniert die Abbildung elektro­magnetischer Felder über miniatu­risierte Antennen. Diese müssen allerdings aufwändig kalibriert werden und können die zu messenden Felder beein­flussen. Die Gruppen von Philipp Treutlein und Patrick Maletinsky an der Uni Basel nutzen deshalb keine Antennen, sondern den Spin von Atomen und einzelnen Elektronen, um Mikro­wellen­felder abzubilden. Der Spin eines Elektrons oder eines Atoms ändert sich nämlich in Anwesen­heit eines Mikro­wellen­feldes, wobei die Zahl der Rotationen von der Mikro­wellen­feld­stärke abhängt. Da die Spins mikroskopisch klein sind, beeinflusst die Messung der Spin­veränderung das zu unter­suchende Mikro­wellen­feld nahezu nicht.

Treutlein und seine Mitarbeiter verwenden zur Abbildung der Mikro­wellen­felder eine dünne Glas­zelle, die mit Rubidium-Dampf gefüllt ist. Wird nahe dieser Glas­zelle ein Mikro­wellen­feld angelegt, ändert sich der Spin­zustand aller Rubidium-Atome in der Messzelle. Die Rotation dieses Spins ist abhängig von der Feld­stärke der angelegten Mikro­wellen. Mit einer speziell entwickelten Kamera halten die Forscher die Zustands­änderungen des Spins der Rubidium-Atome fest. Innerhalb weniger Milli­sekunden erhalten sie so ein zwei­dimensionales Bild der gesamten Messzelle, aus dem sich das Mikro­wellen­feld mit Mikrometer-Auflösung errechnen lässt. Mit diesem Verfahren können die Forscher auch kurze Filme produzieren.

Das Team um Maletinsky misst die Spinänderung einzelner Elektronen in Stick­stoff-Vakanz­zentren von Diamanten, um das Magnet­feld der Mikro­wellen abzubilden. Dazu produzieren die Forscher zunächst eine winzig kleine Spitze aus ein­kristallinem Diamant. Dieser Diamant wird so modi­fiziert, dass in dessen Kristall­gitter einige Kohlen­stoff­atome durch Stick­stoff­atome ersetzt werden und sich gleich daneben eine Leer­stelle befindet. Diese Spitze wird dann in ein speziell entwickeltes Mikroskop eingebaut und in unmittel­bare Nähe eines Mikro­wellen­feldes gebracht.

Wie bei den Resultaten aus der Treutlein-Gruppe ist die Rotations­geschwindigkeit des Elektronen­spins im Stick­stoff-Vakanz­zentrum proportional zur Mikro­wellen-Feld­stärke. Die gesamte Probe wird dann Punkt für Punkt analysiert und das Mikro­wellen­feld aus der Spin­änderung errechnet. Die Analyse dauert aufgrund des Raster­prozesses etwa eine Stunde. Sie liefert hoch­auf­gelöste Bilder im Nano­meter­bereich – eine Million mal kleiner als die Wellen­länge der Mikro­wellen.

Die beiden unabhängig voneinander entwickelten Methoden ergänzen sich bezüglich Mess­geschwindig­keit und örtlicher Auflösung. Es ist daher durchaus vorstell­bar, dass bei der Unter­suchung eines Mikro­wellen-Schalt­kreises zuerst die atomare Dampfzelle eingesetzt werden könnte, um einen schnellen Überblick über das Mikro­wellen­feld zu gewinnen. Wenn dann bestimmte Bereiche besonders interessant erscheinen, könnten diese mithilfe der Stick­stoff-Vakanz­zentren genauestens unter­sucht werden. Die Kombination der beiden Methoden könnte daher in Zukunft weit­reichende Folgen für die Entwicklung neuartiger Mikro­wellen-Komponenten mit sich bringen.

UB / RK

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