NV-Zentrum & ODMR: Diamant als Magnetometer (3D)
Über diese App
Ein Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum im Diamant: grüner Laser, rote Fluoreszenz und eine Mikrowelle, die die Spinresonanz bei 2,87 GHz abtastet. Ein Magnetfeld spaltet die Resonanz auf; im Ensemble zeigen vier Kristallachsen vier Projektionen, aus denen sich der Feldvektor ergibt.
Mit Erklärmodus: Ein KI-Tutor führt dich durch die App, zeigt in der Szene, worauf es ankommt, und beantwortet deine Fragen.
Worum es geht
Das NV-Zentrum ist ein Fehler im Diamantgitter: Ein Stickstoffatom sitzt neben einer Leerstelle. In der negativ geladenen Form NV⁻ bilden zwei ungepaarte Elektronen einen Spin S = 1. Ohne Magnetfeld liegen die Zustände mₛ = ±1 um D ≈ 2,87 GHz über mₛ = 0. Ein Magnetfeld verschiebt sie um ±γ·B∥ mit γ ≈ 28 GHz/T, wobei in erster Näherung nur die Komponente entlang der NV-Achse zählt. Weil sich dieser Spin bei Raumtemperatur optisch auslesen lässt, ist das NV-Zentrum ein Quantensensor für Magnetfelder mit Auflösung bis in den Nanometerbereich.
Was die App zeigt
Die App zeigt einen Ausschnitt des Diamantgitters mit Stickstoff, Leerstelle und NV-Achse, einen grünen Laser mit 532 nm, das rote Leuchten und eine Mikrowellenschleife. Das ODMR-Spektrum zeigt die Fluoreszenz über der Mikrowellenfrequenz: Wo die Frequenz einen Spinübergang trifft, wird das NV dunkler. Die Übergänge rechnet die App exakt aus dem Spin-Hamiltonoperator. Ein Panel zeigt die Spin-Niveaus und den optischen Zyklus mit dem dunklen Weg über die Singulett-Zustände.
Was du ausprobieren kannst
Fahr die Frequenz durch und beobachte, wie das rote Leuchten an zwei Stellen nachlässt. Erhöhe das Feld bis 10 mT: Die Dips laufen auseinander, ihr Abstand ist 2·γ·B∥. Dreh das Feld quer zur NV-Achse, dann fallen die Dips fast zusammen. Im Ensemble gibt es vier Achsrichtungen und bis zu acht Dips; längs einer Würfelkante [100] bleiben es zwei, weil alle Achsen denselben Betrag der Projektion sehen.
Häufige Fragen
- Was ist ein NV-Zentrum im Diamant?
- Ein NV-Zentrum (Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum) ist ein Punktdefekt im Diamant: Ein Stickstoffatom ersetzt ein Kohlenstoffatom, der Nachbarplatz ist leer. In der Ladungsform NV⁻ hat es einen Elektronenspin S = 1, der sich mit grünem Licht polarisieren und über die rote Fluoreszenz auslesen lässt, auch bei Raumtemperatur.
- Was bedeutet ODMR?
- ODMR heißt optisch detektierte Magnetresonanz. Man regt das NV-Zentrum mit einem Laser an und fährt eine Mikrowellenfrequenz durch. Trifft sie einen Übergang von mₛ = 0 nach mₛ = ±1, sinkt die Fluoreszenz. Die Lage dieser Dips verrät das Magnetfeld: f± = D ± γ·B∥ mit D ≈ 2,87 GHz und γ ≈ 28 GHz/T.
- Misst ein NV-Zentrum den Betrag des Magnetfelds?
- Nein, in erster Näherung misst es die Komponente B∥ entlang seiner Achse. Ein Feld quer zur Achse verschiebt die Linien nur schwach. Für den ganzen Feldvektor nutzt man Ensembles mit vier Achsrichtungen ⟨111⟩ und rechnet aus den vier Projektionen zurück; die Vorzeichen legt ein bekanntes Hilfsfeld fest.
- Was kann ich in dieser App ausprobieren?
- Du stellst Betrag und Richtung des Magnetfelds ein, fährst die Mikrowellenfrequenz durch und liest die Dips in einer Tabelle ab. Du wechselst zwischen einzelnem NV und Ensemble, schaltest Laser und Mikrowelle ab und siehst Spin-Niveaus und optischen Zyklus. Der Erklärmodus führt Schritt für Schritt durch das Messprinzip.
Fach: Quantensensorik
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