Wissenschaftliche Publikationen zeigen, wo neue Technologien eingesetzt werden. Doktorarbeiten gehen oft noch einen Schritt weiter: Über mehrere Jahre entstehen neue Messaufbauten, Methoden und Experimente – und die verwendeten Instrumente werden dabei zu einem festen Bestandteil der Forschungsarbeit.
Umso mehr freut es uns, dass 2026 gleich drei Dissertationen erschienen sind, in denen die heliCam™ für die bildgebende Magnetfeldmessung eingesetzt wird. Zwei Arbeiten an der University of Maryland beschäftigen sich mit Quantum Diamond Microscopy auf Basis von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (NV-Zentren) in Diamant. Eine dritte Arbeit am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM untersucht die abbildende Nullfeldmagnetometrie mit dünnen Rubidiumdampfzellen.
Die physikalischen Ansätze sind sehr unterschiedlich. Gemeinsam ist ihnen jedoch eine Herausforderung: Kleine, zeitlich modulierte optische Signale müssen räumlich aufgelöst und mit hoher Empfindlichkeit erfasst werden. Hier bietet die pixelparallele Lock-in-Detektion der heliCam™ besondere Möglichkeiten.
Zechuan Yin: Quantum Diamond Microscopy mit gepulsten Messverfahren
In seiner Dissertation „Advanced Quantum Magnetic Microscopy With Solid-State Spin Ensemble in Diamond“ entwickelt Zechuan Yin an der University of Maryland ein Quantum Diamond Microscope (QDM) der nächsten Generation.
NV-Zentren in Diamant können als hochempfindliche Magnetfeldsensoren genutzt und optisch ausgelesen werden. In einem Quantum Diamond Microscope werden Ensembles solcher NV-Zentren verwendet, um Magnetfelder nicht nur an einem Punkt, sondern über ein ganzes Bildfeld zu erfassen.
Ein Schwerpunkt der Arbeit ist die Erweiterung dieses Prinzips auf fortgeschrittene gepulste Quantensensorik-Verfahren. Dazu kombiniert die entwickelte QDM-Plattform eine schnelle Lock-in-Kamera mit einem Arbitrary Waveform Generator (AWG).
Die Plattform ermöglicht unter anderem statische und breitbandige Magnetfeldbildgebung mit Ramsey-Sequenzen, schmalbandige Messungen mit Dynamical-Decoupling-Protokollen sowie NMR-Bildgebung mittels Coherently Averaged Synchronized Readout (CASR).
Die schnelle Lock-in-Detektion ermöglicht dabei die parallele Auswertung der modulierten Fluoreszenzsignale über das gesamte Bildfeld und trägt so dazu bei, etablierte gepulste Quantensensorik-Verfahren auf die bildgebende Messung zu übertragen.
Jiashen Tang: Dynamische Magnetfelder mit hoher zeitlicher Auflösung
Auch die Dissertation „Advancing Quantum Diamond Sensing for Dynamic Magnetic Imaging and Directional Rare-Event Detection“ von Jiashen Tang entstand an der University of Maryland.
Im ersten Teil seiner Arbeit entwickelt Tang ein gepulstes Quantum Diamond Microscope für die bildgebende Messung statischer und dynamischer Magnetfelder. Das System kombiniert Double-Quantum-Ramsey-Magnetometrie, Spin-Bath Driving und die schnelle Lock-in-Detektion.
Damit demonstriert die Arbeit Magnetfeldbildgebung mit einer zeitlichen Auflösung von unter einer Millisekunde bei gleichzeitig mikrometergroßer räumlicher Auflösung. Durch stabiles Mitteln lassen sich Magnetfelder bis in den Picotesla-Bereich auflösen.
Solche Eigenschaften sind insbesondere für schwache und zeitlich veränderliche Magnetfelder interessant, beispielsweise aus elektronischen Schaltungen, neuartigen Materialien oder biologischen Systemen.
Ein weiterer Teil der Dissertation untersucht NV-Zentren als Sensoren für seltene Ereignisse und deren Richtungsinformation. Dieser Forschungsbereich verfolgt ein anderes Messkonzept und zeigt zugleich die große Bandbreite heutiger Quantensensorik mit Diamant.
Ronja Rasser: Mehr als 7.000 Messpunkte in einer dünnen Rubidiumdampfzelle
Einen anderen physikalischen Ansatz verfolgt Ronja Rasser in ihrer Dissertation „Abbildende Nullfeldmagnetometrie mit dünnen Rubidiumdampfzellen“ am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM.
Hier dienen nicht NV-Zentren in Diamant, sondern optisch gepumpte Rubidiumatome als Magnetfeldsensoren. Eine nur 300 µm dünne Rubidiumdampfzelle wird großflächig optisch ausgelesen. Das lokale Magnetfeld beeinflusst die optischen Eigenschaften der spinpolarisierten Atome; die daraus resultierende Modulation des transmittierten Lichts wird mit der heliCam™ räumlich aufgelöst detektiert.
Das System realisiert mit einer einzigen Dampfzelle mehr als 7.000 individuelle Messpunkte innerhalb eines kreisförmigen Bereichs von etwa 4 mm Durchmesser. Die erreichte räumliche Auflösung beträgt ungefähr 40 µm.
Dass damit nicht nur statische Felder erfasst werden können, demonstriert die Messung eines mit 130 Hz oszillierenden Magnetfeldgradienten. Aus einer einzelnen Dampfzelle entsteht so eine zweidimensionale Magnetfeldkamera.
Über das daraus entstandene Optics-Express-Paper haben wir bereits in unserem Beitrag „Drei neue Research Papers mit der heliCam™ – Von Magnetfeldern zu Millimeterwellen“ berichtet. Die nun veröffentlichte Dissertation stellt diese Arbeiten in den größeren Zusammenhang der Entwicklung abbildender Nullfeldmagnetometer.
Drei Dissertationen – zwei Sensorkonzepte – ein gemeinsames Messprinzip
NV-Zentren in Diamant und Rubidiumatome in einer Dampfzelle beruhen auf sehr unterschiedlichen physikalischen Prinzipien. Gemeinsam ist beiden Ansätzen, dass die Kamera das Magnetfeld nicht direkt misst.
Stattdessen wird die Wechselwirkung des Magnetfeldes mit einem quantenmechanischen Sensorsystem optisch ausgelesen. Die gesuchte Information steckt dabei in kleinen Änderungen eines modulierten Lichtsignals.
Genau hier setzt die heliCam™ an: Sie führt die Lock-in-Detektion parallel in vielen Bildpunkten durch und verbindet damit hohe Empfindlichkeit mit bildgebender Messung.
Dass die heliCam™ 2026 in drei Dissertationen als Werkzeug für die Entwicklung neuer magnetischer Messverfahren eingesetzt wurde, freut uns besonders. Die Arbeiten zeigen zugleich, wie sich Lock-in-Imaging mit unterschiedlichen Quantensensoren kombinieren lässt – vom NV-Diamant bis zur atomaren Dampfzelle.
Wir gratulieren Zechuan Yin, Jiashen Tang und Ronja Rasser zum erfolgreichen Abschluss ihrer Dissertationen.
Diese und viele weitere wissenschaftliche Arbeiten mit der heliCam™ finden Sie in unserer Sammlung Publikationen zur Lock-in-Kamera.
Heliotis AG