NV-Zentren - Spin-Qubits in Diamant - können Magnetresonanzsignale von sehr kleinen Proben nachweisen, bis hinunter zu einer einzelnen Zelle oder sogar einem einzelnen Biomolekül. Wir entwickeln Wege, aus diesen Signalen dreidimensionale Bilder zu rekonstruieren und aus Spektren der Signale so viel Information wie möglich zu gewinnen.

Nature Communications 12, 532 (2021)
Nature Nanotechnology 10, 125 (2015)
Science 339, 561 (2013)

Wir forschen an einer neuen Art von Rastersondenmikroskop, das beliebige planare Sensoren als Sonde einsetzen kann, nicht nur scharfe Spitzen wie sie in der Rasterkraft- und Rastertunnelmikroskopie verwendet werden. Unser Verfahren beruht auf einem interferometrischen Mikroskopieverfahren, das einen planaren Sensor perfekt parallel zu einer planaren Probe ausrichten kann. Es lassen sich mit dieser Methode deutlich mehr Sensoren in der Bildgebung einsetzen als mit den herkömmlichen Verfahren, die sich zudem einfacher fertigen lassen.
Wir entwickeln neue Nahfeldmikroskopie-Methoden auf Basis dieser Technik und setzen sie für die Bildgebung von Magnetfeldern mit NV-Zentren in Diamant ein. 

ACS Photonics 6, 327 (2019)

NV-Zentren - Spin-Qubits in Diamant - werden gewöhnlich über ihre Fluoreszenz ausgelesen. Dieser Weg ist experimentell sehr einfach, aber ineffizient und langsam, denn nur einer von mehreren 100 Ausleseversuchen ist erfolgreich. Wir arbeiten an Verfahren, die NV-Zentren direkt elektrisch auszulesen, also das Spin-Signal direkt in eine Spannung, einen Strom oder eine andere elektrische Größe verwandeln. Ein vielversprechender Ansatz sind hier Cavity-QED-Verfahren. Ensembles von NV-Zentren lassen sich an Mikrowellenresonatoren hoher Güte koppeln (graue Scheibe im Bild rechts), die sich wiederum an Mikrowellenschaltkreise anschließen lassen.

arXiv:2003.07562
Nature Communications 8, 964 (2017)
Phys. Rev. Lett. 118, 037601 (2017)

Die elektrische Aktivität von Nervenzellen lässt sich heute im Mikroskop abbilden, indem man die Zellen mit einem Calcium- oder Spannungs-empfindlichen Farbstoff färbt. Diese Farbstoffe bleichen allerdings während der Messung aus und verändern die Eigenschaften der Zellen. Wir suchen daher nach photostabileren Farbstoffen, zum Beispiel auf der Basis von NV-Zentren in Diamant, und versuchen, label-freie Verfahren zu entwickeln, die gar keine Farbstoffe mehr benötigen. Dieses ambitionierte Ziel könnte in Reichweite sein, weil empfindliche Laserinterferometrie und moderne Signalverarbeitung in der Lage sein könnten, kleine intrinsische Signale abzubilden, die ein Aktionspotential begleiten, zum Beispiel Vibrationen der Zellmembran. 

Scientific Reports 10, 20078 (2020)