DE-102024210726-A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen eines Messsignals aus einem von einem spinbasierten Quantensystem ausgehenden Signal

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Nutzsignals (11) aus einem von einem spinbasierten Quantensystem (4) ausgehenden Signal (5'), umfassend ein Anregen des spinbasierten Quantensystems (4) durch ein Anregungslicht (13), ein Anregen des spinbasierten Quantensystems (4) durch ein elektromagnetisches Feld (3), welches mit einer Modulationsfrequenz zwischen zwei Messfrequenzen hin- und herspringt, wobei die zwei Messfrequenzen einen ersten Messfrequenzabstand von einer erwarteten Resonanzfrequenz aufweisen, ein Erfassen des von dem spinbasierten Quantensystem (4) ausgehenden Signals (5'), um ein Messsignal (7) zu erhalten, ein Multiplizieren des Messsignals (7) mit einem Modulationssignal (9), das mit der Modulationsfrequenz zwischen zwei Modulationssignalzuständen hin- und herspringt, um ein moduliertes Messsignal (7') zu erzeugen, ein Demodulieren des modulierten Messsignals (7'), um das Nutzsignal (11) zu erzeugen, ein Bestimmen eines Vergleichssignals, und ein Bestimmen, ob der erwartete Resonanzfrequenzwert richtig ist, anhand des Vergleichssignals.

Inventors

• Florian Dolde
• Matthias Buck
• Andreas Brenneis
• Binh Tran
• Tino Fuchs
• Clare Rachel Higgins
• Michelle Schweizer

Assignees

• Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241107

Claims (11)

1. Verfahren zum Erzeugen eines Nutzsignals (11) aus einem von einem spinbasierten Quantensystem (4) ausgehenden Signal (5'), umfassend die Schritte: Anregen des spinbasierten Quantensystems (4) durch ein Anregungslicht (13; 320), Anregen des spinbasierten Quantensystems (4) durch ein elektromagnetisches Feld (3), welches mit einer Modulationsfrequenz zwischen zwei Messfrequenzen (f + , f - ) hin- und herspringt, wobei die zwei Messfrequenzen (f + , f - ) einen ersten Messfrequenzabstand (302) von einer erwarteten Resonanzfrequenz (f 0 ) aufweisen, Erfassen des von dem spinbasierten Quantensystem (4) ausgehenden Signals (5'), um ein Messsignal (7) zu erhalten, Multiplizieren des Messsignals (7) mit einem Modulationssignal (9), das mit der Modulationsfrequenz zwischen zwei Modulationssignalzuständen hin- und herspringt, um ein moduliertes Messsignal (7') zu erzeugen, Demodulieren des modulierten Messsignals (7'), um das Nutzsignal (11) zu erzeugen, Bestimmen eines Vergleichssignals, und Bestimmen, ob der erwartete Resonanzfrequenzwert richtig ist, anhand des Vergleichssignals.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Bestimmen, ob der erwartete Resonanzfrequenzwert richtig ist, anhand des Vergleichssignals umfasst: Bestimmen, dass die erwartete Resonanzfrequenz richtig ist, wenn sich das Vergleichssignal hinreichend von dem Nutzsignal (11) und/oder dem von dem spinbasierten Quantensystem (4) ausgehenden Signal (5') unterscheidet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , wobei das Bestimmen, ob der erwartete Resonanzfrequenzwert richtig ist, anhand des Vergleichssignals umfasst: Bestimmen, dass die erwartete Resonanzfrequenz nicht richtig ist, wenn sich das Vergleichssignal nicht hinreichend von dem Nutzsignal und/oder dem von dem spinbasierten Quantensystem (4) ausgehenden Signal (5') unterscheidet.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen eines Vergleichssignals umfasst: Anregen des spinbasierten Quantensystems (4) durch ein elektromagnetisches Feld (3), welches mit einer zweiten Modulationsfrequenz zwischen zwei weiteren Messfrequenzen hin- und herspringt, wobei wenigstens eine der zwei weiteren Messfrequenzen einen zweiten Messfrequenzabstand von der erwarteten Resonanzfrequenz aufweist, der sich von dem ersten Messfrequenzabstand unterscheidet, Erfassen des von dem spinbasierten Quantensystem (4) ausgehenden Signals (5'), um das Vergleichssignal zu erhalten.
5. Verfahren nach Anspruch 4 , wobei das Erfassen des von dem spinbasierten Quantensystem (4) ausgehenden Signals (5'), um das Vergleichssignal zu erhalten, umfasst: Erfassen des von dem spinbasierten Quantensystem (4) ausgehenden Signals (5'), um ein zweites Messsignal (7) zu erhalten, Multiplizieren des zweiten Messsignals (7) mit einem zweiten Modulationssignal (9), das mit der zweiten Modulationsfrequenz zwischen zwei Modulationssignalzuständen hin- und herspringt, um ein zweites moduliertes Messsignal (7') zu erzeugen, Demodulieren des zweiten modulierten Messsignals (7'), um das Vergleichssignal (11) zu erzeugen.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen eines Vergleichssignals umfasst: Anregen des spinbasierten Quantensystems (4) durch ein elektromagnetisches Feld (3), welches wenigstens eine dritte Messfrequenz (f G ) aufweist, die von dem erwarteten Resonanzfrequenzwert (f 0 ) wenigstens einen dritten Frequenzabstand () aufweist, der sich von dem ersten Frequenzabstand () unterscheidet, Erfassen des von dem spinbasierten Quantensystem (4) ausgehenden Signals (5'), um das Vergleichssignal zu erhalten.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen eines Vergleichssignals umfasst: Auslesen einer Grundlinienintensität eines Fluoreszenzspektrums.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das spinbasierte Quantensystem (4) einen Sensorkristall mit Farbzentren aufweist, insbesondere einen Diamanten mit Stickstoff-Fehlstellen-Zentren.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektromagnetische Feld (3) ein Mikrowellenfeld ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das von dem spinbasierten Quantensystem (4) ausgehende Signal (5') ein Fluoreszenzsignal oder ein Lichtsignal ist.
11. Vorrichtung (100) zum Erzeugen eines Nutzsignals (11) aus einem von einem spinbasierten Quantensystem (4) ausgehenden Signal (5'), die Vorrichtung aufweisend: das spinbasierte Quantensystem (4), eine Felderzeugungseinrichtung (2) zum Erzeugen eines elektromagnetischen Felds (3), das mit einer Modulationsfrequenz zwischen zwei Messfrequenzen hin- und herspringt, wobei das spinbasierte Quantensystem (4) in dem elektromagnetischen Feld (3) angeordnet ist, eine Messeinrichtung (6) zum Erfassen des von dem spinbasierten Quantensystem (4) ausgehenden Signals (5'), um ein Messsignal (7) zu erhalten, und eine Recheneinheit (8), die dazu eingerichtet ist, die Vorrichtung so anzusteuern, dass sie ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche ausführt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Messsignals aus einem von einem spinbasierten Quantensystem ausgehenden Signal. Hintergrund der Erfindung Um sehr kleine Magnetfeldstärken zu messen, eignen sich als Sensoren insbesondere quantenbasierte bzw. optisch gepumpte Magnetometer. Solche Magnetometer nutzen oft optisch gepumpte und optisch detektierte magnetische Resonanzen (optically detected magnetic resonance, ODMR). Dabei wird ausgenutzt, dass unter Einfluss eines äußeren Magnetfelds die Energieniveaus bestimmter Spinzustände ungepaarter Elektronen aufspalten, der sogenannte Zeeman-Effekt. Durch die Aufspaltung der Energieniveaus ergeben sich veränderte Übergänge bei der Relaxation aus angeregten Zuständen, die dann beispielsweise durch optische Anregung und frequenzabhängige Detektion der resultierenden Fluoreszenzstrahlung oder durch Beobachtung optischer Eigenschaften wie der Absorption von Licht gemessen werden können. Aus den gemessenen optischen Parametern kann dann wiederum auf die Magnetfeldstärke geschlossen werden. Für solche quantenbasierten Magnetfeldsensoren können Sensorkristalle mit anregbaren Defektzentren genutzt werden. Typischerweise werden Diamanten verwendet, die homogen mit negativen Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (NV-Zentren, nitrogen vacancy) dotiert sind. Die Präparation des Quantenzustands erfolgt über optische Anregung und die Wechselwirkung mit einem statischen Magnetfeld und einem dynamischen Magnetfeld, d.h. einem Mikrowellenfeld. Zur Messung sehr kleiner Magnetfeldstärken sind beispielsweise aus der DE 10 2018 220 234 A1 oder der DE 10 2018 214 617 A1 quantenbasierte Magnetsensoren auf der Basis von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren bekannt. Dabei wird die im Spinsystem gespeicherte Information optisch ausgelesen, indem die vom Spinzustand abhängigen Fluoreszenzraten des NV-Zentrums erfasst werden. Daher wird die Genauigkeit u.a. durch das Signal-Rausch-Verhältnis des optischen Ausleseverfahrens des NV-Zentrums begrenzt. Bei spinbasierten Sensoranordnungen (hier auch als Quantensensoren bezeichnet) können frequenzmodulierte Signale erfasst und ausgewertet werden, wofür ein Lock-In-Verfahren eingesetzt werden kann. Die DE 10 2023 209 714 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Nutzsignals aus einem von einem spinbasierten Quantensystem ausgehenden Signal, umfassend ein Anregen des spinbasierten Quantensystems durch ein elektromagnetisches Feld, welches mit einer Modulationsfrequenz zwischen zwei Zuständen hin- und herspringt (sog. Bang-Bang-Modulation), ein Erfassen des von dem spinbasierten Quantensystem ausgehenden Signals, um ein Messsignal zu erhalten, ein Multiplizieren des Messsignals mit einem Modulationssignal, das mit der Modulationsfrequenz zwischen zwei Modulationssignalzuständen hin- und herspringt, um ein moduliertes Messsignal zu erzeugen, und ein Demodulieren des modulierten Messsignals, um das Nutzsignal zu erzeugen. Offenbarung der Erfindung Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Nutzsignals aus einem von einem spinbasierten Quantensystem ausgehenden Signal mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. Bei einem herkömmlichen Lock-In-Verfahren wird ein Nutzsignal S mit einem sinusförmigen Modulationssignal moduliert. Durch Kenntnis der Modulationsfrequenz kann das Nutzsignal auch bei großem Umgebungsrauschen R (speziell bei sehr hohem 1/f-Rauschen, welches bei sehr niederfrequenten Signalen < 1 kHz (nahe dc) sehr kritisch ist) aus dem Messsignal M extrahiert werden. Eine solche Modulation ist darstellbar gemäß: M(t) = sin(ωt + φ) ∗ S(t) + R(t)wobei M(t) das Messsignal (d.h. gemessene Signal), S(t) das Nutzsignal (d.h. das zu messende bzw. interessierende Signal (bzw. dessen AC-Anteil)), R(t) das Umgebungsrauschen und φ ein Phasenversatz zwischen Modulation und Messung sind. Zum Extrahieren des Nutzsignals wird dann eine Demodulation durchgeführt der Form:S=∫0TM(t)⋅sin(ωt+φ)dtwobei T das Integrationsfenster ist. Sollte die Phasenbeziehung φ nicht bekannt sein, kann auch zusätzlich mit einem 90°-Phasenversatz demoduliert werden und aus beiden Basisvektoren das Nutzsignal rekonstruiert werden. Mehrere Nutzsignale können aus demselben Messsignal extrahiert werden, wenn diese mit unterschiedlicher Frequenz moduliert werden (Sinus/Cosinus verschiedener Frequenzen sind orthogonal zueinander). Beim Nutzen der Lock-In-Technik mit trigonometrischen Funktionen (Sinus/Cosinus) befindet sich der Sensor jedoch einen Teil der Messzeit in einem Bereich, in dem keine/wenig Information über das Nutzsignal aufgenommen wird, d.h. eine Änderung des Nutzsignals hat keinen Einfluss auf das Messsignal, da durch die Modulation das Nutzsignal zu diesem Zeitpunkt nur wenig in das Messsignal eingeht. Dies ist verbesserungswürdig, da hier das Verhältnis von Infor