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Mikrowellenfelder mit Diamant und Dampfzelle abbilden

Terahertz-KalorimetrieWie sich Wasser in der Umgebung von gelösten Molekülen verhält

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MikrowellentechnikMikrowellenfelder mit Diamant und Dampfzelle abbilden

Die Abbildung von Mikrowellenfeldern gewinnt zunehmend an Bedeutung, da Mikrowellen für die moderne Kommunikationstechnologie unerlässlich sind und in der medizinischen Diagnostik eingesetzt werden können. Forscher vom Swiss Nanoscience Institute und vom Departement Physik der Universität Basel haben nun unabhängig voneinander zwei neue Methoden entwickelt, um Mikrowellenfelder abzubilden.

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Durch Messungen der Spinänderung von Atomen oder Elektronen lassen sich Mikrowellenfelder genauestens abbilden. (Bild: Universität Basel, Departement Physik)

Beide Verfahren machen sich die Änderung von Spinzuständen zunutze, die durch Mikrowellenfelder ausgelöst werden, wie die Forscher in der Fachzeitschrift „New Journal of Physics“ berichten.

Mikrowellen sorgen nicht nur schnell für warme Mahlzeiten, sondern sind auch für die drahtlose Kommunikation von Laptops und Mobiltelefonen unerlässlich, in denen Mikrowellenschaltkreise für die Übertragung und Dekodierung von Information sorgen. Als neues Feld entwickelt sich zurzeit auch ihr Einsatz in der Medizindiagnostik, da beispielsweise Krebszellen Mikrowellen anders absorbieren als gesundes Gewebe.

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Um ihren Einsatz in den Grundlagenwissenschaften, der Kommunikationstechnologie und auch in der Diagnostik weiter voranzutreiben, ist es wichtig, die elektromagnetischen Mikrowellenfelder genau untersuchen zu können. Doch gab es bisher kaum einfache und schnelle Methoden, die genaue Bilder der Mikrowellenfelder liefern.

Veränderter Spin durch Mikrowellenfeld

Traditionell funktioniert die Abbildung elektromagnetischer Felder über miniaturisierte Antennen. Diese müssen allerdings aufwendig kalibriert werden und können die zu messenden Felder beeinflussen. Die Gruppen von Professor Philipp Treutlein und Georg-H.-Endress-Professor Patrick Maletinsky an der Universität Basel nutzen deshalb keine Antennen, sondern den Eigendrehimpuls (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.

Zahlreiche Rubidium-Atome

Die Gruppe von Philipp Treutlein verwendet 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 Forschenden 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.

Einzelne Elektronen

Das Team um Professor Patrick Maletinsky misst die Spinänderung einzelner Elektronen in Stickstoff-Vakanzzentren von Diamanten, um das Magnetfeld der Mikrowellen abzubilden. Dazu produzieren die Forschenden 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 (Stickstoff-Vakanzzentrum) 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.

Komplementäre Methoden
Die beiden unabhängig voneinander entwickelten Methoden ergänzen sich bezüglich Messgeschwindigkeit und örtlicher Auflösung. Es ist daher durchaus vorstellbar, dass bei der Untersuchung eines Mikrowellenschaltkreises 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 dieser beiden Methoden könnte daher in Zukunft weitreichende Folgen für die Entwicklung neuartiger Mikrowellenkomponenten mit sich bringen.

Originalbeiträge:
Andrew Horsley, Guan-Xiang Du and Philipp Treutlein: Widefield microwave imaging in alkali vapor cells with sub-100 μm resolution. New Journal of Physics 17, 112002 (2015), DOI: 10.1088/1367-2630/17/11/112002.
Patrick Appel, Marc Ganzhorn, Elke Neu and Patrick Maletinsky: Nanoscale microwave imaging with a single electron spin in diamond. New Journal of Physics 17, 112001 (2015), DOI: 10.1088/1367-2630/17/11/112001.

Weitere Auskünfte:
Prof. Patrick Maletinsky, Universität Basel, Departement Physik, E-Mail: patrick.maletinsky@unibas.ch
Prof. Philipp Treutlein, Universität Basel, Departement Physik, E-Mail: philipp.treutlein@unibas.ch

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