WO2019174975A1 - Method and apparatus for measuring a magnetic field direction - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method for measuring a
- the determination of magnetic fields plays an important role in sensor technology. For example, the direction can be determined for navigation in vehicles or with portable devices. High precision magnetic field sensors are also needed for locating metallic or magnetic objects. A possible future application of magnetic fields may be human-machine interfaces. Magnetic sensors measure the electrical currents that occur during brain activity.
- a determination of magnetic fields by means of magnetic field pulses is known, for example, from WO 2016/118791 A1.
- the invention provides a method for measuring a magnetic field direction of an external magnetic field with the features of claim 1 and an apparatus for measuring a magnetic field direction of an external magnetic field having the features of claim 9 ready.
- the invention accordingly relates to a method for measuring a magnetic field direction of an external magnetic field.
- a sample is placed in the external magnetic field, the sample having defects that dictate corresponding orientation directions of the sample.
- An alternating magnetic field with a predetermined or predefinable magnetic field direction is generated in the region of the sample. Spin resonance effects occur due to interactions of the sample with the alternating magnetic field and are measured.
- the magnetic field direction of the external magnetic field is under
- the invention accordingly relates to a device for measuring a magnetic field direction of an external magnetic field, which has a sample which can be introduced into the external magnetic field.
- the sample has defects which dictate corresponding orientation directions.
- the device further comprises a magnetic field device, which a
- Magnetic field direction in the range of the sample can produce.
- the device has a measuring device which measures spin resonance effects resulting from interactions of the sample with the alternating magnetic field.
- the device has an evaluation device which the magnetic field direction of the external magnetic field using the
- the invention makes it possible, based on investigations of a sample with defects, the magnetic field direction of an initially unknown outer
- Magnetic field to measure The orientation of the magnetic field direction of the alternating magnetic field relative to the orientation directions of the sample is known and is used to determine the magnetic field direction of the outer
- the sample may be a solid having a given crystal structure.
- orientation directions may already be known due to the manufacturing process of the sample.
- the orientation directions can also be determined in a calibration step described below.
- the method and the device are particularly suitable for use in mobile applications.
- the measurement of spin resonance effects comprises measuring an optically detected magnetic resonance (ODM R) and / or an electrically detected magnetic
- measuring spin resonance effects may include measuring an ODMR spectrum and / or EDMR spectrum.
- the influence of a manipulated variable, namely the direction and magnitude of the applied alternating magnetic field, on the spectrum of the electron spin resonance is determined.
- Measuring a spectrum is understood to be the determination of a measured variable as a function of a variable, the variable being varied in preferably the same steps.
- the spin resonance effects may also be nuclear spin resonance effects.
- the sample is a diamond, the defects being NV centers.
- the orientation directions correspond to at least one of the four possible orientations of the NV centers in the diamond crystal lattice.
- the orientation direction is meant that axis which results from the arrangement of the nitrogen atom N and the
- Magnetic field direction of the alternating magnetic field set perpendicular to one of the orientation directions A resonance frequency of the measured spin resonance effect is determined and assigned to this orientation direction.
- the magnetic field direction is determined using the resonance frequency associated with the orientation direction.
- the setting of the alternating magnetic field and the determination of the resonance frequency is carried out successively for all orientation directions.
- the calibration step comprises a plurality of individual steps.
- the sample is introduced into an external test magnetic field of known magnetic field strength and magnetic field direction.
- the magnetic field direction of the alternating magnetic field is varied relative to the magnetic field direction of the external test magnetic field and maxima of the spin resonance effects are determined.
- the orientation directions of the sample are determined using those magnetic field directions of the alternating magnetic field at which maxima of the spin resonance effects occur.
- Figure 1 is a schematic block diagram of an apparatus for measuring a magnetic field direction of an external magnetic field according to an embodiment of the invention
- Figure 2 is a schematic illustration of the diamond crystal lattice with
- FIG. 3 is an illustration of the energy levels of the ground state and of
- FIG. 4 is an illustration of the angles between the orientation direction of the
- Figure 5 is a schematic cross-sectional view of a sample and a
- Figure 6 is a schematic oblique view of the sample and the
- Figure 7 optically detected magnetic resonances of a single NV center for external magnetic fields with different magnetic field strengths
- FIG. 8 shows optically detected magnetic resonances of an ensemble of NV centers
- Figure 9 is an illustration of possible angular positions of a magnetic
- FIG. 10 shows the transition probability as a function of the angular positions illustrated in FIG. 9.
- FIG. 11 shows a flow chart of a method for measuring a
- Magnetic field direction of an external magnetic field according to an embodiment of the invention.
- FIG. 1 shows a schematic block diagram of an apparatus 1 for measuring an external magnetic field.
- the device 1 has a sample 2, the sample 2 preferably being a solid having a predetermined crystal structure.
- the sample 2 has defects, which corresponding
- Specify orientation directions In the simplest case, it may be a single defect, such as a single NV center in a diamond sample 2. To obtain a stronger signal, however, it is preferably an ensemble of such defects. In particular, it may be a
- Diamond sample 2 to trade with a variety of NV centers. Depending on the orientation in the crystal lattice, the NV centers can have four different ones
- the sample 2 is introduced into or introduced into a magnetic field device 3 of the device 1.
- the magnetic field device 3 is designed to generate a resonant alternating magnetic field, which is the spin of the
- the strength of the excitation depends on the orientation of the alternating magnetic field relative to the orientation directions of the sample 2. This alignment may be either already known initially or described below Calibration step are determined. Furthermore, the strength of the excitation depends on a magnetic field strength and a magnetic field direction of an external magnetic field, which is to be investigated by means of the device 1.
- the excitations of the spin lead to spin resonance effects, which are detected by a measuring device 4 of the device 1.
- the measuring device 4 outputs a measurement signal, which is evaluated by an evaluation device 5 of the device 1.
- the evaluation device 5 is adapted to the magnetic field direction of the external magnetic field using the measuring signal and under
- sample 2 is preferably a diamond sample with NV centers. As shown in FIG. 2, these are nitrogen atoms N and defects V, which occur in the crystal lattice of diamond. Due to the crystal structure of diamond, the NV centers can point in four different directions, thus providing excellent orientation directions of sample 2.
- FIG. 3 shows the energy levels of the electrons of an NV center.
- the ground state 3 A forms a spin triplet, where a
- the magnetic alternating field of the magnetic field device 3 in the microwave range generates a change in state of the electron spins of the NV center and thus leads to electron spin resonance, ESR.
- the invention is not limited to diamond with NV centers.
- SiC samples with SiV centers are also suitable. It is also conceivable to exploit the nuclear magnetic resonance of nucleons with non-vanishing nuclear spin.
- the device 1 For measuring an external magnetic field, the device 1 is moved into this.
- an initialization Preferably, in a first step, an initialization
- the spins are excited into the corresponding spin states of the excited state 3 E.
- Electrons in m_s 0 ground state.
- a manipulation of the sample 2 is performed.
- an alternating magnetic field is applied by the magnetic field device 3.
- Measuring device 4 detected and evaluated by the evaluation device 5, which determines the magnetic field direction of the external magnetic field.
- Magnetic field direction of the external magnetic field in this case depends on a first angle Q between the magnetic moment, d. H. the preferred direction or orientation direction of the NV center and the static or quasi-static external magnetic field. So the magnetic interaction H_mag is between the magnetic moment m, which is along one of the
- H_mag Y-
- D 2.87 GHz corresponds to the above-mentioned zero-field splitting (ZFS, see Fig. 3).
- the magnetic field direction depends on a second angle 0_RF between the alternating magnetic field and the orientation direction. So is the coupling strength of an alternating magnetic field ß_RF through the
- Formula (2) applies to Spin V systems.
- Ground state can be calculated by the corresponding propagators.
- the propagator is for a magnetic
- the angle f_p corresponds to the phase of the radiated magnetic
- t_r is the time duration over which the magnetic
- R_i (f) is the propagator for one
- the amplitude of the optically detected magnetic resonance thus depends on the second angle 0_RF.
- the first and second angles Q, 0_RF are illustrated in FIG.
- FIG. 5 shows a schematic cross-sectional view
- Figure 6 is a schematic oblique view of the sample 2 and the magnetic field device 3.
- Magnetic field device 3 preferably three mutually perpendicular conductor coils or waveguides 31, 32, 33. Each of these conductor coils or waveguides takes over the task of a magnetic alternating field along a
- any direction of the magnetic alternating current can be generated (AC vector magnet). This is the result
- Magnetic field device 3 is formed to generate an oriented in any direction magnetic alternating field.
- the magnetic field device 3 may also have only two mutually perpendicular conductor coils and thereby generate a variable within a plane alternating magnetic field.
- the electron spin resonance may be due to a change in the
- Fluorescence property are detected, d. H. by optically detected magnetic resonance, ODMR.
- ODMR optically detected magnetic resonance
- FIG. 7 illustrates the ODMR spectrum for a single NV center as a function of the frequency f of the alternating magnetic field for external magnetic fields B with different magnetic field strengths.
- the magnetic field occur two resonant frequencies w_1 and w_2, which for larger magnetic field strengths of the external magnetic field further away from each other.
- the amplitude A of the ODM R spectrum has a minimum or a dip, since the states excited by the resonant alternating magnetic field decay beyond the metastable state 1 A and thus have a reduced fluorescence spectrum
- FIG. 8 illustrates the ODMR spectrum for an ensemble of NV centers.
- the four orientation directions of the NV centers lead to four pairs of two dips Dl-Dl to D4-D4 with corresponding pairs of
- Amplitude A in the ODMR spectrum depends on the second angle 0_RF between the alternating magnetic field and the respective orientation direction.
- FIG. 9 illustrates the four possible orientation directions A1 to A4, wherein a first orientation direction A1 extends along the z-axis.
- the alternating magnetic field has a third angle f_RF relative to the x-axis, and lies within the xy plane.
- FIG. 10 illustrates the corresponding dependence of the transition probability P as a function of the third angle f_RF.
- Transition probability P is proportional to the resonance amplitude in the ODMR spectrum. Since the magnetic alternating field is perpendicular to the first orientation direction Al, the first transition probability Bl has a constant course. The nutation frequency is maximal for the z-direction because the alternating magnetic field oscillates in the x-y plane. In this case, a tt pulse will invert the occupation probability independently of the third angle f_RF.
- Transition probabilities B2 to B4 have mutually shifted minimums C2 to C4, respectively.
- H. a characteristic dependence on the third angle f_RF.
- the alternating magnetic field applied by the magnetic field device 3 is selected perpendicular to one of the orientation directions A1 to A4, and then the magnetic field direction within the plane is varied.
- the third angles f_RF can be determined and thereby the orientation directions A2 to A4 in the ODMR spectrum can be determined.
- Magnetic field direction of the alternating magnetic field is not necessarily variable.
- different transition probabilities Bl to B4 are often difficult to distinguish for a fixed third angle f_RF
- variation of the third angle f_RF is advantageous. In general, this is already a two-dimensional RF magnet as
- Magnetic field device 3 suitable.
- Direction determination can be increased.
- the method is thus carried out successively for all orientation directions A1 to A4.
- the resonance line has a stronger dependence on the alternating magnetic field compared to the other three resonance lines. This resonance thus shows the largest
- Evaluation device 5 determine the magnetic field in magnitude and direction.
- the magnetic field direction of the external magnetic field can thus be determined exactly.
- the invention thus makes it possible due to the vectorial control of the alternating magnetic field, d. H. the adjustability of the magnetic field direction of the alternating magnetic field, the peaks in the ODMR spectrum absolute space axes assign.
- the orientation of the magnetic field direction of the alternating magnetic field relative to the orientation directions of the sample 2 is already known.
- the position of the orientation directions of the sample 2 may already be known.
- the sample 2 is connected in fixed orientation with the magnetic field device 3 or inserted into this.
- the evaluation device 5 can furthermore always calculate the exact magnetic field direction of the alternating field applied by the magnetic field device 3. Based on this information, the
- Evaluation device 5 thus calculate the orientation of the magnetic field direction of the alternating magnetic field relative to the orientation directions of the sample 2.
- this alignment may be determined in an initially performed calibration step. This
- Calibration step may be performed before the first start-up of the device 1 or before each measurement of an external magnetic field.
- the sample is first introduced into an external test magnetic field with known magnetic field strength and magnetic field direction.
- the magnetic field strength of the test magnetic field may be 1 mT, for example. This prevents the four pairs of the electron spin resonance Dl-Dl to D4-D4 which correspond to the four possible orientations of the NV center in the diamond from being degenerate.
- the magnetic field direction of the alternating magnetic field is varied relative to the magnetic field direction of the external test magnetic field.
- the second angles 0_RF and third angle f_RF can be varied in steps of 10 °.
- ODMR spectra are generated.
- the recorded ODMR spectra are analyzed for the amplitude of the resonance.
- those angle pairs (0_RF, f_RF) are determined for which the amplitude in the ODMR spectrum assumes the maximum value. This can be done for example by a compensation calculation.
- the pairs of angles determined in this way span the plane which is orthogonal to the corresponding crystal direction or orientation direction. This method can be performed for all four orientation directions.
- all relevant angles are known and the four possible orientation directions of the NF center in the diamond lattice are identified.
- the evaluation device 5 can thus determine the four possible orientation directions of the sample 2. This makes it possible, in measuring operation the
- FIG. 11 is a flowchart of a method for measuring a
- Magnetic field direction of an external magnetic field illustrated which can be carried out in particular with a device 1 described above.
- a sample 2 is now introduced into the external magnetic field, wherein the sample 2 defects and corresponding
- an alternating magnetic field is generated, wherein the magnetic field direction can be predetermined and is preferably variably adjustable.
- the magnetic field direction can preferably be varied at least in one plane.
- the magnetic field direction is adjustable in all three spatial dimensions.
- a method step S3 spin resonance effects are measured, which result from interactions of the sample 2 with the alternating magnetic field.
- an ODMR spectrum can be detected for this purpose.
- Magnetic field determined in dependence of the measured spin resonance effects.
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Abstract
The invention relates to a method for measuring a magnetic field direction of an external magnetic field, the method comprising the steps: introducing (Sl) a sample (2) into the external magnetic field, wherein the sample (2) has defects, which specify corresponding orientation directions of the sample (2); generating (S2) an alternating magnetic field having a predetermined or predeterminable magnetic field direction in the region of the sample (2); measuring (S3) spin resonance effects due to interactions of the sample (2) with the alternating magnetic field; and determining (S4) he magnetic field direction of the external magnetic field using the measured spin resonance effects, and orientating the magnetic field direction of the alternating magnetic field relative to the orientation directions of the sample (2).
Description
Beschreibung description
Titel title
Verfahren und Vorrichtung zum Messen einer Magnetfeldrichtung Method and apparatus for measuring a magnetic field direction
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen einer The present invention relates to a method for measuring a
Magnetfeldrichtung eines äußeren Magnetfelds und eine entsprechende Magnetic field direction of an external magnetic field and a corresponding
Vorrichtung. Contraption.
Stand der Technik State of the art
Die Bestimmung von Magnetfeldern spielt eine wichtige Rolle in der Sensorik. Beispielsweise kann die Himmelsrichtung zur Navigation in Fahrzeugen oder mit tragbaren Geräten ermittelt werden. Auch zur Ortung von metallischen oder magnetischen Gegenständen werden hochgenaue Magnetfeldsensoren benötigt. Eine mögliche zukünftige Anwendung von Magnetfeldern können Mensch- Maschinen-Schnittstellen sein. Mittels Magnetfeldsensoren werden die bei einer Gehirnaktivität entstehenden elektrischen Ströme gemessen. The determination of magnetic fields plays an important role in sensor technology. For example, the direction can be determined for navigation in vehicles or with portable devices. High precision magnetic field sensors are also needed for locating metallic or magnetic objects. A possible future application of magnetic fields may be human-machine interfaces. Magnetic sensors measure the electrical currents that occur during brain activity.
Eine Bestimmung von Magnetfeldern mittels Magnetfeldpulsen ist beispielsweise aus der WO 2016/118791 Al bekannt. Hierzu wird eine Probe mit einem A determination of magnetic fields by means of magnetic field pulses is known, for example, from WO 2016/118791 A1. For this purpose, a sample with a
Diamanten mit Stickstoff- Fehlstellen-Zentren (NV-Zentren) eingesetzt. Diamonds with nitrogen vacancy centers (NV centers) used.
Eine Studie von NV-Zentren liefert Balasubramanian,„A lanoscale imaging magnetometry with diamond spins under ambient conditions“, Nature 455, Seiten 648-651, 2008. A study by NV Centers provides Balasubramanian, "A lanoscale imaging magnetometry with diamond spins under ambient conditions", Nature 455, pages 648-651, 2008.
Neben der genauen Bestimmung der Magnetfeldstärken ist für viele Besides the exact determination of the magnetic field strengths is for many
Anwendungen auch eine Kenntnis der Magnetfeldrichtung erforderlich. Es besteht somit Bedarf an miniaturisierbaren und kostengünstigen Applications also require knowledge of the magnetic field direction. There is thus a need for miniaturizable and cost-effective
Sensorvorrichtungen zur Bestimmung von Magnetfeldrichtungen. Sensor devices for determining magnetic field directions.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Messen einer Magnetfeld richtung eines äußeren Magnetfelds mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung zum Messen einer Magnetfeld richtung eines äußeren Magnetfelds mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 bereit. Disclosure of the invention The invention provides a method for measuring a magnetic field direction of an external magnetic field with the features of claim 1 and an apparatus for measuring a magnetic field direction of an external magnetic field having the features of claim 9 ready.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Preferred embodiments are the subject of the respective subclaims.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach ein Verfahren zum Messen einer Magnetfeld richtung eines äußeren Magnetfelds. Eine Probe wird in das äußere Magnetfeld eingebracht, wobei die Probe Defekte aufweist, welche entsprechende Orientierungsrichtungen der Probe vorgeben. Ein magnetisches Wechselfeld mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren Magnetfeldrichtung wird im Bereich der Probe erzeugt. Spinresonanzeffekte entstehen aufgrund von Wechselwirkungen der Probe mit dem magnetischen Wechselfeld und werden gemessen. Die Magnetfeldrichtung des äußeren Magnetfelds wird unter According to a first aspect, the invention accordingly relates to a method for measuring a magnetic field direction of an external magnetic field. A sample is placed in the external magnetic field, the sample having defects that dictate corresponding orientation directions of the sample. An alternating magnetic field with a predetermined or predefinable magnetic field direction is generated in the region of the sample. Spin resonance effects occur due to interactions of the sample with the alternating magnetic field and are measured. The magnetic field direction of the external magnetic field is under
Verwendung der gemessenen Spinresonanzeffekte und einer Ausrichtung der Magnetfeld richtung des magnetischen Wechselfeldes relativ zu den Using the measured spin resonance effects and an orientation of the magnetic field direction of the alternating magnetic field relative to the
Orientierungsrichtungen der Probe ermittelt. Orientation directions of the sample determined.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung demnach eine Vorrichtung zum Messen einer Magnetfeldrichtung eines äußeren Magnetfelds, welche eine Probe aufweist, die in das äußere Magnetfeld einbringbar ist. Die Probe weist Defekte auf, welche entsprechende Orientierungsrichtungen vorgeben. Die Vorrichtung weist weiter eine Magnetfeldeinrichtung auf, welche ein According to a second aspect, the invention accordingly relates to a device for measuring a magnetic field direction of an external magnetic field, which has a sample which can be introduced into the external magnetic field. The sample has defects which dictate corresponding orientation directions. The device further comprises a magnetic field device, which a
magnetisches Wechselfeld mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren alternating magnetic field with a predetermined or predefinable
Magnetfeld richtung im Bereich der Probe erzeugen kann. Die Vorrichtung weist eine Messeinrichtung auf, welche Spinresonanzeffekte misst, welche aus Wechselwirkungen der Probe mit dem magnetischen Wechselfeld resultieren. Schließlich weist die Vorrichtung eine Auswerteeinrichtung auf, welche die Magnetfeld richtung des äußeren Magnetfelds unter Verwendung der Magnetic field direction in the range of the sample can produce. The device has a measuring device which measures spin resonance effects resulting from interactions of the sample with the alternating magnetic field. Finally, the device has an evaluation device which the magnetic field direction of the external magnetic field using the
gemessenen Spinresonanzeffekte und einer Ausrichtung der Magnetfeldrichtung des magnetischen Wechselfelds relativ zu den Orientierungsrichtungen der Probe ermittelt. measured spin resonance effects and an orientation of the magnetic field direction of the alternating magnetic field relative to the orientation directions of the sample determined.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung ermöglicht es, anhand von Untersuchungen einer Probe mit Defekten die Magnetfeld richtung eines anfänglich unbekannten äußeren Advantages of the invention The invention makes it possible, based on investigations of a sample with defects, the magnetic field direction of an initially unknown outer
Magnetfeldes zu messen. Die Ausrichtung der Magnetfeld richtung des magnetischen Wechselfelds relativ zu den Orientierungsrichtungen der Probe ist bekannt und wird zur Ermittlung der Magnetfeldrichtung des äußeren Magnetic field to measure. The orientation of the magnetic field direction of the alternating magnetic field relative to the orientation directions of the sample is known and is used to determine the magnetic field direction of the outer
Magnetfelds herangezogen. Bei der Probe kann es sich beispielsweise um einen Festkörper mit einer vorgegebenen Kristallstruktur handeln. Beim Magnetic field used. For example, the sample may be a solid having a given crystal structure. At the
Kristallwachstum können bestimmte Defekte auftreten, wobei die Ausrichtungen der Defekte typischerweise auf einige wenige durch die Kristallstruktur vorgegebene Richtungen beschränkt sind. Diese Orientierungsrichtungen können bereits aufgrund des Herstellungsverfahrens der Probe bekannt sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen können die Orientierungsrichtungen jedoch auch in einem weiter unten beschriebenen Kalibrierschritt ermittelt werden. Crystal growth, certain defects may occur, with the orientations of the defects typically limited to a few directions dictated by the crystal structure. These orientation directions may already be known due to the manufacturing process of the sample. However, according to further embodiments, the orientation directions can also be determined in a calibration step described below.
Durch die Verwendung von magnetischen Wechselfeldern kann im Vergleich zu statischen Magnetfeldern, die durch einen Dauerstrom erzeugt werden, bzw. Magnetfeldpulsen ein deutlich geringerer Energieverbrauch erzielt werden. Through the use of alternating magnetic fields, a significantly lower energy consumption can be achieved compared to static magnetic fields, which are generated by a continuous current, or magnetic field pulses.
Dadurch eignet sich das Verfahren und die Vorrichtung insbesondere auch für den Einsatz bei mobilen Anwendungen. As a result, the method and the device are particularly suitable for use in mobile applications.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens umfasst das Messen von Spinresonanzeffekten ein Messen einer optisch detektierten magnetischen Resonanz (ODM R) und/oder einer elektrisch detektierten magnetischen According to a preferred embodiment of the method, the measurement of spin resonance effects comprises measuring an optically detected magnetic resonance (ODM R) and / or an electrically detected magnetic
Resonanz (EDMR). Gemäß einer Ausführungsform kann das Messen von Spinresonanzeffekten ein Messen eines ODMR-Spektrums und/oder EDMR- Spektrums umfassen. Es wird der Einfluss einer Stellgröße, nämlich Richtung und Betrag des angelegten magnetischen Wechselfeldes, auf das Spektrum der Elektronenspinresonanz ermittelt. Unter dem Messen eines Spektrums wird das Ermitteln einer Messgröße in Abhängigkeit einer Variable verstanden, wobei die Variable in vorzugsweise gleichen Schritten variiert wird. Gemäß bestimmten Ausführungsformen werden jedoch nur bestimmte Punkte in dem Spektrum gemessen. Eine vollständige Bestimmung des Spektrums ist somit nicht zwingend erforderlich.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann es sich bei den Spinresonanzeffekten auch um Kernspin- Resonanzeffekte handeln. Resonance (EDMR). In one embodiment, measuring spin resonance effects may include measuring an ODMR spectrum and / or EDMR spectrum. The influence of a manipulated variable, namely the direction and magnitude of the applied alternating magnetic field, on the spectrum of the electron spin resonance is determined. Measuring a spectrum is understood to be the determination of a measured variable as a function of a variable, the variable being varied in preferably the same steps. However, according to certain embodiments, only certain points in the spectrum are measured. A complete determination of the spectrum is therefore not mandatory. According to further embodiments, the spin resonance effects may also be nuclear spin resonance effects.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ist die Probe ein Diamant, wobei die Defekte NV-Zentren sind. Die Orientierungsrichtungen entsprechen mindestens einer der vier möglichen Ausrichtungen der NV-Zentren im Diamant- Kristallgitter. Unter der Orientierungsrichtung ist diejenige Achse gemeint, welche sich aus der Anordnung des Stickstoffatoms N und der According to a preferred development of the method, the sample is a diamond, the defects being NV centers. The orientation directions correspond to at least one of the four possible orientations of the NV centers in the diamond crystal lattice. By the orientation direction is meant that axis which results from the arrangement of the nitrogen atom N and the
Fehlstelle V ergibt. Defect V yields.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird die According to a preferred embodiment of the method, the
Magnetfeld richtung des magnetischen Wechselfelds senkrecht zu einer der Orientierungsrichtungen eingestellt. Eine Resonanzfrequenz des gemessenen Spinresonanzeffekts wird ermittelt und dieser Orientierungsrichtung zugeordnet. Die Magnetfeldrichtung wird unter Verwendung der Resonanzfrequenz bestimmt, welche der Orientierungsrichtung zugeordnet ist. Magnetic field direction of the alternating magnetic field set perpendicular to one of the orientation directions. A resonance frequency of the measured spin resonance effect is determined and assigned to this orientation direction. The magnetic field direction is determined using the resonance frequency associated with the orientation direction.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird das Einstellen des magnetischen Wechselfelds und das Ermitteln der Resonanzfrequenz nacheinander für sämtliche Orientierungsrichtungen durchgeführt. Bei According to a preferred embodiment of the method, the setting of the alternating magnetic field and the determination of the resonance frequency is carried out successively for all orientation directions. at
Verwendung einer Diamant-Probe werden somit die Messungen für die vier Orientierungsrichtungen wiederholt. Using a diamond sample thus repeats the measurements for the four orientation directions.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens werden die According to a preferred embodiment of the method, the
Orientierungsrichtungen der Probe unter Verwendung des magnetischen Orientation directions of the sample using the magnetic
Wechselfeldes in einem Kalibrierschritt ermittelt. Somit ist keine ursprüngliche Kenntnis der Orientierungsrichtungen der Probe erforderlich. Alternating field determined in a calibration step. Thus, no initial knowledge of the orientation directions of the sample is required.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfasst der Kalibrierschritt mehrere einzelne Schritte. So wird die Probe in ein äußeres Test- Magnetfeld mit bekannter Magnetfeldstärke und Magnetfeldrichtung eingebracht. Die Magnetfeld richtung des magnetischen Wechselfelds wird relativ zu der Magnetfeld richtung des äußeren Test- Magnetfelds variiert und Maxima der Spinresonanzeffekte werden ermittelt. Die Orientierungsrichtungen der Probe
werden unter Verwendung derjenigen Magnetfeld richtungen des magnetischen Wechselfeldes ermittelt, bei welchen Maxima der Spinresonanzeffekte auftreten. According to a preferred embodiment of the method, the calibration step comprises a plurality of individual steps. Thus, the sample is introduced into an external test magnetic field of known magnetic field strength and magnetic field direction. The magnetic field direction of the alternating magnetic field is varied relative to the magnetic field direction of the external test magnetic field and maxima of the spin resonance effects are determined. The orientation directions of the sample are determined using those magnetic field directions of the alternating magnetic field at which maxima of the spin resonance effects occur.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird eine der According to one embodiment of the method, one of
Orientierungsrichtungen der Probe orthogonal zu einer Magnetfeldrichtung ermittelt, bei welcher ein Maximum der Spinresonanzeffekte auftritt. Orientation directions of the sample orthogonal to a magnetic field direction determined at which a maximum of the spin resonance effects occurs.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung ist die According to a preferred embodiment of the device is the
Magnetfeldeinrichtung dazu ausgebildet, die Magnetfeldrichtung des Magnetic field device designed to the magnetic field direction of
ausgesendeten magnetischen Wechselfeldes zu variieren. emitted magnetic alternating field to vary.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Es zeigen: Show it:
Figur 1 ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Messen einer Magnetfeldrichtung eines äußeren Magnetfelds gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; Figure 1 is a schematic block diagram of an apparatus for measuring a magnetic field direction of an external magnetic field according to an embodiment of the invention;
Figur 2 eine schematische Illustration des Diamant- Kristallgitters mit Figure 2 is a schematic illustration of the diamond crystal lattice with
einem NV-Zentrum; a NV center;
Figur 3 eine Illustration der Energieniveaus des Grundzustands und von Figure 3 is an illustration of the energy levels of the ground state and of
Anregungen des NV-Zentrums; Suggestions from the NV Center;
Figur 4 eine Illustration der Winkel zwischen der Orientierungsrichtung des FIG. 4 is an illustration of the angles between the orientation direction of the
NV-Zentrums, dem äußeren Magnetfeld und dem magnetischen Wechselfeld; NV center, the external magnetic field and the alternating magnetic field;
Figur 5 eine schematische Querschnittsansicht einer Probe und einer Figure 5 is a schematic cross-sectional view of a sample and a
Magnetfeldeinrichtung der Vorrichtung; Magnetic field device of the device;
Figur 6 eine schematische Schrägansicht der Probe und der Figure 6 is a schematic oblique view of the sample and the
Magnetfeldeinrichtung der Vorrichtung; Magnetic field device of the device;
Figur 7 optisch detektierte magnetische Resonanzen eines einzelnen NV- Zentrums für äußere Magnetfelder mit verschiedenen Magnetfeldstärken; Figure 7 optically detected magnetic resonances of a single NV center for external magnetic fields with different magnetic field strengths;
Figur 8 optisch detektierte magnetische Resonanzen eines Ensembles von NV-Zentren;
Figur 9 eine Illustration möglicher Winkelpositionen eines magnetischenFIG. 8 shows optically detected magnetic resonances of an ensemble of NV centers; Figure 9 is an illustration of possible angular positions of a magnetic
Wechselfeldes relativ zu den vier Orientierungsachsen von NV- Zentren; Alternating field relative to the four orientation axes of NV centers;
Figur 10 die Übergangswahrscheinlichkeit in Abhängigkeit der in Figur 9 illustrierten Winkelpositionen; und FIG. 10 shows the transition probability as a function of the angular positions illustrated in FIG. 9; and
Figur 11 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Messen einer FIG. 11 shows a flow chart of a method for measuring a
Magnetfeld richtung eines äußeren Magnetfelds gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Magnetic field direction of an external magnetic field according to an embodiment of the invention.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen. In all figures, the same or functionally identical elements and devices are provided with the same reference numerals.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Description of the embodiments
Figur 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung 1 zum Messen eines äußeren Magnetfelds. FIG. 1 shows a schematic block diagram of an apparatus 1 for measuring an external magnetic field.
Die Vorrichtung 1 weist eine Probe 2 auf, wobei es sich bei der Probe 2 vorzugsweise um einen Festkörper mit einer fest vorgegebenen Kristallstruktur handelt. Die Probe 2 weist Defekte auf, welche entsprechende The device 1 has a sample 2, the sample 2 preferably being a solid having a predetermined crystal structure. The sample 2 has defects, which corresponding
Orientierungsrichtungen vorgeben. Im einfachsten Fall kann es sich um einen einzelnen Defekt handeln, etwa ein einzelnes NV-Zentrum in einer Diamantprobe 2. Um ein stärkeres Signal zu erhalten, handelt es sich vorzugsweise jedoch um ein Ensemble derartiger Defekte. Insbesondere kann es sich um eine Specify orientation directions. In the simplest case, it may be a single defect, such as a single NV center in a diamond sample 2. To obtain a stronger signal, however, it is preferably an ensemble of such defects. In particular, it may be a
Diamantprobe 2 mit einer Vielzahl von NV-Zentren handeln. Je nach Orientierung im Kristallgitter können die NV-Zentren vier verschiedene Diamond sample 2 to trade with a variety of NV centers. Depending on the orientation in the crystal lattice, the NV centers can have four different ones
Orientierungsrichtungen aufweisen. Have orientation directions.
Die Probe 2 ist in eine Magnetfeldeinrichtung 3 der Vorrichtung 1 eingebracht oder in diese einbringbar. Die Magnetfeldeinrichtung 3 ist dazu ausgebildet, ein resonantes magnetisches Wechselfeld erzeugen, welches den Spin der The sample 2 is introduced into or introduced into a magnetic field device 3 of the device 1. The magnetic field device 3 is designed to generate a resonant alternating magnetic field, which is the spin of the
Elektronen oder Nukleonen der Probe anregen kann. Die Stärke der Anregung hängt von der Ausrichtung des magnetischen Wechselfeldes relativ zu den Orientierungsrichtungen der Probe 2 ab. Diese Ausrichtung kann entweder anfangs bereits bekannt sein oder durch einen weiter unten beschriebenen
Kalibrierschritt ermittelt werden. Weiter hängt die Stärke der Anregung von einer Magnetfeldstärke und einer Magnetfeldrichtung eines äußeren Magnetfelds ab, welches mittels der Vorrichtung 1 untersucht werden soll. Can excite electrons or nucleons of the sample. The strength of the excitation depends on the orientation of the alternating magnetic field relative to the orientation directions of the sample 2. This alignment may be either already known initially or described below Calibration step are determined. Furthermore, the strength of the excitation depends on a magnetic field strength and a magnetic field direction of an external magnetic field, which is to be investigated by means of the device 1.
Die Anregungen des Spins (der Elektronen oder der Nukleonen) führen zu Spinresonanzeffekten, welche von einer Messeinrichtung 4 der Vorrichtung 1 erfasst werden. Die Messeinrichtung 4 gibt ein Messsignal aus, welches von einer Auswerteeinrichtung 5 der Vorrichtung 1 ausgewertet wird. The excitations of the spin (the electrons or the nucleons) lead to spin resonance effects, which are detected by a measuring device 4 of the device 1. The measuring device 4 outputs a measurement signal, which is evaluated by an evaluation device 5 of the device 1.
Die Auswerteeinrichtung 5 ist dazu ausgebildet, die Magnetfeldrichtung des äußeren Magnetfelds unter Verwendung des Messsignals sowie unter The evaluation device 5 is adapted to the magnetic field direction of the external magnetic field using the measuring signal and under
Berücksichtigung der Ausrichtung der Magnetfeldrichtung des magnetischen Wechselfelds relativ zu den Orientierungsrichtungen der Probe zu bestimmen. Considering the orientation of the magnetic field direction of the alternating magnetic field relative to the orientation directions of the sample to determine.
Beispielhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung 1 werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Exemplary embodiments of the device 1 will be explained in more detail with reference to the following figures.
So handelt es sich bei der Probe 2 vorzugsweise um eine Diamantprobe mit NV- Zentren. Wie in Figur 2 gezeigt, handelt es sich hierbei um Stickstoff-Atome N und Fehlstellen V, welche im Kristallgitter von Diamant auftreten. Aufgrund der Kristallstruktur von Diamant können die NV-Zentren in vier verschiedene Richtungen zeigen, welche somit ausgezeichnete Orientierungsrichtungen der Probe 2 vorgeben. Thus, sample 2 is preferably a diamond sample with NV centers. As shown in FIG. 2, these are nitrogen atoms N and defects V, which occur in the crystal lattice of diamond. Due to the crystal structure of diamond, the NV centers can point in four different directions, thus providing excellent orientation directions of sample 2.
In Figur 3 sind die Energieniveaus der Elektronen eines NV-Zentrums eingezeichnet. Der Grundzustand 3A bildet ein Spintriplett, wobei eine FIG. 3 shows the energy levels of the electrons of an NV center. The ground state 3 A forms a spin triplet, where a
Nullfeldaufspaltung (ZFS, zero field Splitting) D zwischen dem m_s = 0 Zustand und den m_s = +/-1 Zuständen in Abwesenheit von äußeren Magnetfeldern einen Wert von 2,87 GHz aufweist. Falls die Probe 2 in ein äußeres Magnetfeld eingebracht wird, spalten sich die beiden m_s = +/-1 Zustände aufgrund des Zeeman- Effekts auf. Zero field splitting (ZFS) has a value of 2.87 GHz between the m_s = 0 state and the m_s = +/- 1 states in the absence of external magnetic fields. If the sample 2 is introduced into an external magnetic field, the two m_s = +/- 1 states split due to the Zeeman effect.
Das NV-Zentrum weist weiter einen angeregten Triplett-Zustand 3E mit entsprechenden Quantenzahlen m_s = 0, +/-1 auf. Schließlich existiert ein metastabiler Singletzustand 1A.
Das magnetische Wechselfeld der Magnetfeldeinrichtung 3 im Mikrowellenbereich erzeugt eine Zustandsänderung der Elektronenspins des NV- Zentrums und führt somit zu Elektronenspinresonanz, ESR. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Diamant mit NV-Zentren beschränkt. Beispielsweise sind auch SiC-Proben mit SiV-Zentren geeignet. Denkbar ist auch die Ausnutzung der Kernspinresonanz von Nukleonen mit nicht verschwindendem Kernspin. The NV center further has an excited triplet state 3 E with corresponding quantum numbers m_s = 0, +/- 1. Finally, a metastable single state exists 1 A. The magnetic alternating field of the magnetic field device 3 in the microwave range generates a change in state of the electron spins of the NV center and thus leads to electron spin resonance, ESR. However, the invention is not limited to diamond with NV centers. For example, SiC samples with SiV centers are also suitable. It is also conceivable to exploit the nuclear magnetic resonance of nucleons with non-vanishing nuclear spin.
Zum Messen eines äußeren Magnetfelds wird die Vorrichtung 1 in dieses hinein bewegt. Vorzugsweise wird in einem ersten Schritt eine Initialisierung For measuring an external magnetic field, the device 1 is moved into this. Preferably, in a first step, an initialization
durchgeführt. So befinden sich anfangs die Elektronen mit im Wesentlichen gleicher Wahrscheinlichkeit in den m_s = 0, +/- 1-Zuständen des Grundzustands 3A. Durch Anregen mit grünem Licht werden die Spins in die entsprechenden Spin-Zustände des angeregten Zustands 3E angeregt. Über den metastabilen Zustand 1A gelangen schließlich die Elektronen in den m_s = 0 Grundzustand. Nach dem Initialisieren befinden sich somit im Wesentlichen sämtliche carried out. Thus, initially the electrons are in the m_s = 0, +/- 1 states of the ground state 3 A with essentially equal probability. By exciting with green light, the spins are excited into the corresponding spin states of the excited state 3 E. Finally, the electrons enter the m_s = 0 ground state via the metastable state 1 A. After initialization, therefore, essentially all are
Elektronen im m_s = 0 Grundzustand. Electrons in m_s = 0 ground state.
In einem zweiten Schritt wird eine Manipulation der Probe 2 durchgeführt. Hierzu wird ein magnetisches Wechselfeld durch die Magnetfeldeinrichtung 3 angelegt. Die Wellenlänge bzw. Frequenz des magnetischen Wechselfeldes entspricht im Wesentlichen der Anregung aus dem m_s = 0 Zustand in die m_s = +/-1 In a second step, a manipulation of the sample 2 is performed. For this purpose, an alternating magnetic field is applied by the magnetic field device 3. The wavelength or frequency of the alternating magnetic field essentially corresponds to the excitation from the m_s = 0 state into the m_s = +/- 1
Zustände das Grundzustands 3A. Conditions the ground state 3 A.
In einem dritten Schritt werden die Spinresonanzeffekte mittels der In a third step, the spin resonance effects by means of
Messeinrichtung 4 erfasst und durch die Auswerteeinrichtung 5 ausgewertet, welche die Magnetfeldrichtung des äußeren Magnetfelds bestimmt. Die Measuring device 4 detected and evaluated by the evaluation device 5, which determines the magnetic field direction of the external magnetic field. The
Magnetfeld richtung des äußeren Magnetfelds hängt hierbei von einem ersten Winkel Q zwischen dem magnetischen Moment, d. h. der Vorzugsrichtung oder Orientierungsrichtung des NV-Zentrums und dem statischen oder quasistatischen äußeren Magnetfeld ab. So ist die magnetische Wechselwirkung H_mag zwischen dem magnetischen Moment m, welches entlang einer der Magnetic field direction of the external magnetic field in this case depends on a first angle Q between the magnetic moment, d. H. the preferred direction or orientation direction of the NV center and the static or quasi-static external magnetic field. So the magnetic interaction H_mag is between the magnetic moment m, which is along one of the
Orientierungsrichtungen zeigt, und dem äußeren magnetischen Feld B durch das Produkt aus diesen beiden vektoriellen Größen gegeben:
H_mag = - m·B = - |m|·|B|·oo3(q) Orientation directions shows, and given the outer magnetic field B by the product of these two vectorial quantities: H_mag = - m · B = - | m | · | B | · oo3 (q)
Im Falle des NV-Zentrums lautet dieser Ausdruck für die Zeemanaufspaltung: For the NV Center, this expression for the Zeeman split is:
H_mag = Y-| B|-COS(0), wobei g dem gyroskopischen Verhältnis des NV-Zentrums entspricht, g » 28,024 GHz/ T. Es kommt zur magnetischen Resonanz, falls die eingestrahlte Frequenz f des magnetischen Wechselfeldes dieser zusätzlichen Zeemanaufspaltung entspricht: omega = 2 p / = (D ± g · |ß| · cos(0)) (1) H_mag = Y- | B | -COS (0), where g corresponds to the gyroscopic ratio of the NV center, g »28.024 GHz / T. Magnetic resonance occurs if the irradiated frequency f of the alternating magnetic field corresponds to this additional Zeeman splitting: omega = 2 p / = (D ± g · | β | · cos (0)) (1)
Hier entspricht D = 2,87 GHz der oben angesprochenen Nullfeldaufspaltung (ZFS, vgl. Fig. 3). Here, D = 2.87 GHz corresponds to the above-mentioned zero-field splitting (ZFS, see Fig. 3).
Weiter hängt die Magnetfeld richtung von einem zweiten Winkel 0_RF zwischen dem magnetischen Wechselfeld und der Orientierungsrichtung ab. So ist die Kopplungsstärke eines magnetischen Wechselfelds ß_RF durch die Further, the magnetic field direction depends on a second angle 0_RF between the alternating magnetic field and the orientation direction. So is the coupling strength of an alternating magnetic field ß_RF through the
Nutationsfrequenz a>_nut gegeben. Diese hängt von dem zweiten Winkel 0_RF ab: Nutation frequency a> _nut given. This depends on the second angle 0_RF:
6Jnut |l/2 · BRF sin 0RF| (2) 6Jnut | l / 2 · BRF sin 0RF | (2)
Formel (2) gilt für Spin V Systeme. Die Nutationsfrequnz a>_nut von Spin 1 Systemen ist um einen Faktor von Wurzel(2)= 1,41 größer. Formula (2) applies to Spin V systems. The nutation frequency a> _nut of spin 1 systems is larger by a factor of root (2) = 1.41.
Die Nutationsfrequenz a>_nut bestimmt bei resonanter Mikrowellenanregung die Umbesetzung zwischen den Energieniveaus m_s=0, ±1 im Grundzustand 3A. Damit wird direkt bestimmt, wie wahrscheinlich es ist, dass eine strahlende Fluoreszenz des NV-Zentrums erfolgt, also eine Relaxation aus dem Zustand 3E, m_s=0 in den Zustand 3A, ms = 0, oder ob die Fluoreszenz durch nichtstrahlende Relaxation reduziert ist, d.h. Relaxation aus dem Zustand 3E, ms = +/-1 über den dunklen Zustand 1A in den Grundzustand 3A, m_s=0. Entsprechend hängt die Amplitude des optisch detektierten Fluoreszenzssignals von der
Magnetfeldstärke |ß_RF| und Magnetfeldrichtung bzw. dem zweiten Winkel 0_RF des magnetischen Wechselfeldes ab. The nutation frequency a> _nut determines the rearrangement between the energy levels m_s = 0, ± 1 in the ground state 3 A with resonant microwave excitation. This determines directly how probable it is that a radiating fluorescence of the NV center takes place, ie a relaxation of the State 3 E, m_s = 0 in the state 3 A, ms = 0, or whether the fluorescence is reduced by non-radiative relaxation, ie relaxation from the state 3 E, ms = +/- 1 via the dark state 1 A in the ground state 3 A, m_s = 0. Accordingly, the amplitude of the optically detected fluorescence signal depends on the Magnetic field strength | ß_RF | and the magnetic field direction or the second angle 0_RF of the alternating magnetic field.
Der Einfluss des magnetischen Wechselfeldes auf die Umbesetzung im The influence of the alternating magnetic field on the rearrangement in the
Grundzustand kann durch die entsprechenden Propagatoren berechnet werden. Bei resonanter Anregung lautet der Propagator für einen magnetischen Ground state can be calculated by the corresponding propagators. For resonant excitation, the propagator is for a magnetic
Der Winkel f_ p entspricht der Phase des eingestrahlten magnetischen The angle f_p corresponds to the phase of the radiated magnetic
Wechselfelds. t_r ist die zeitliche Dauer über welche das magnetische AC field. t_r is the time duration over which the magnetic
Wechselfeld eingestrahlt wird. R_i ( f ) ist der Propagator für einen Alternating field is radiated. R_i (f) is the propagator for one
Hochfrequenzpuls, der ein Zweiniveausystem um die Achse i = x, y, z um den Winkel f dreht. Radio-frequency pulse that rotates a two-level system about the axis i = x, y, z by the angle f.
Die Amplitude der optisch detektierten magnetischen Resonanz hängt somit von dem zweiten Winkel 0_RF ab. Die ersten und zweiten Winkel Q, 0_RF sind in Figur 4 illustriert. The amplitude of the optically detected magnetic resonance thus depends on the second angle 0_RF. The first and second angles Q, 0_RF are illustrated in FIG.
Die Probe 2 ist fest in der Magnetfeldeinrichtung 3 angeordnet. Figur 5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht und Figur 6 eine schematische Schrägansicht auf die Probe 2 und die Magnetfeldeinrichtung 3. So weist die The sample 2 is fixedly arranged in the magnetic field device 3. Figure 5 shows a schematic cross-sectional view and Figure 6 is a schematic oblique view of the sample 2 and the magnetic field device 3. Thus, the
Magnetfeldeinrichtung 3 vorzugsweise drei zueinander senkrechte Leiterspulen bzw. Wellenleiter 31, 32, 33 auf. Jeder dieser Leiterspulen bzw. Wellenleiter übernimmt die Aufgabe ein magnetisches Wechselfeld entlang einer Magnetic field device 3 preferably three mutually perpendicular conductor coils or waveguides 31, 32, 33. Each of these conductor coils or waveguides takes over the task of a magnetic alternating field along a
Raumrichtung innerhalb der Probe 2 zu erzeugen. Dadurch und in Kombination der Leiterspulen bzw. Wellenleiter kann eine beliebige Rictung des magnetischen Wechselfeds erzeugt werden (AC-Vektormagnet). Dadurch ist die Spatial direction within the sample 2 to produce. As a result, and in combination with the conductor coils or waveguides, any direction of the magnetic alternating current can be generated (AC vector magnet). This is the result
Magnetfeldeinrichtung 3 ausgebildet, ein in beliebiger Richtung orientiertes magnetisches Wechselfeld zu erzeugen. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Magnetfeldeinrichtung 3 jedoch auch nur zwei zueinander senkrechte Leiterspulen aufweisen und dadurch ein innerhalb einer Ebene variierbares magnetisches Wechselfeld erzeugen.
Die Elektronenspinresonanz kann über eine Änderung der Magnetic field device 3 is formed to generate an oriented in any direction magnetic alternating field. However, according to further embodiments, the magnetic field device 3 may also have only two mutually perpendicular conductor coils and thereby generate a variable within a plane alternating magnetic field. The electron spin resonance may be due to a change in the
Fluoreszenzeigenschaft nachgewiesen werden, d. h. durch optisch detektierte magnetische Resonanz, ODMR. So gibt das ODMR-Spektrum Aufschluss über die Amplitude des zu messenden Feldes. Fluorescence property are detected, d. H. by optically detected magnetic resonance, ODMR. Thus, the ODMR spectrum provides information about the amplitude of the field to be measured.
In Figur 7 ist das ODMR-Spektrum für ein einziges NV-Zentrum als Funktion der Frequenz f des magnetischen Wechselfeldes für äußere Magnetfelder B mit verschiedenen Magnetfeldstärken illustriert. In Abwesenheit eines äußeren Magnetfeldes (B=0, vgl. Figur 7) sind die m_s = +/-1 Zustände entartet, d. h. es tritt lediglich eine einzige Resonanz auf, falls die Frequenz des magnetischen Wechselfelds der Nullfeldaufspaltung entspricht. Bei Anlegen eines FIG. 7 illustrates the ODMR spectrum for a single NV center as a function of the frequency f of the alternating magnetic field for external magnetic fields B with different magnetic field strengths. In the absence of an external magnetic field (B = 0, see Figure 7), the m_s = +/- 1 states are degenerate, i. H. only a single resonance occurs if the frequency of the alternating magnetic field corresponds to zero-field splitting. When creating a
magnetischen Feldes treten zwei Resonanzfrequenzen w_1 und w_2 auf, welche für größere Magnetfeldstärken des äußeren Magnetfelds sich weiter voneinander entfernen. Bei den Resonanzfrequenzen weist die Amplitude A des ODM R- Spektrums jeweils ein Minimum bzw. eine Senke (Dip) auf, da die durch das resonante magnetische Wechselfeld angeregten Zustände über den metastabilen Zustand 1A zerfallen und somit im Fluoreszenzspektrum eine verringerte magnetic field occur two resonant frequencies w_1 and w_2, which for larger magnetic field strengths of the external magnetic field further away from each other. At the resonance frequencies, the amplitude A of the ODM R spectrum has a minimum or a dip, since the states excited by the resonant alternating magnetic field decay beyond the metastable state 1 A and thus have a reduced fluorescence spectrum
Amplitude hervorrufen. Die Amplitude ist somit genau dann reduziert, falls die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes einem magnetischen Übergang des Grundzustandes 3A entspricht, beispielsweise dem Übergang von m_s = 0 nach m_s = 1. Das Wirkprinzip der ODMR liegt darin, dass optische Anregungen aus dem Grundzustand m_s = +/-1 eine hohe Wahrscheinlichkeit besitzen, nicht strahlend in den dunklen Zustand 1A zu zerfallen, wodurch sie für längere Zeit dem Fluoreszenzprozess nicht zur Verfügung stehen. Dadurch ist die Produce amplitude. The amplitude is thus reduced exactly if the frequency of the alternating magnetic field corresponds to a magnetic transition of the ground state 3 A, for example, the transition from m_s = 0 to m_s = 1. The operating principle of the ODMR is that optical excitations from the ground state m_s = +/- 1 have a high probability that they do not radiantly decay into the dark state 1 A, whereby they are not available for a longer time to the fluorescence process. This is the result
Fluoreszenzintensität bei resonanter Anregung mit dem magnetischen Fluorescence intensity at resonant excitation with the magnetic
Wechselfeld reduziert. Alternating field reduced.
In Figur 8 ist das ODMR-Spektrum für ein Ensemble von NV-Zentren illustriert.FIG. 8 illustrates the ODMR spectrum for an ensemble of NV centers.
Die vier Orientierungsrichtungen der NV-Zentren führen zu vier Paaren von jeweils zwei Senken Dl- Dl bis D4-D4 mit entsprechenden Paaren von The four orientation directions of the NV centers lead to four pairs of two dips Dl-Dl to D4-D4 with corresponding pairs of
Resonanzfrequenzen. Die Tiefe der Senken Dl-Dl bis D4-D4, d. h. die Resonant frequencies. The depth of the sinks Dl-Dl to D4-D4, d. H. the
Amplitude A im ODMR-Spektrum hängt von dem zweiten Winkel 0_RF zwischen dem magnetischen Wechselfeld und der jeweiligen Orientierungsrichtung ab.
In Figur 9 sind die vier möglichen Orientierungsrichtungen Al bis A4 illustriert, wobei eine erste Orientierungsrichtung Al entlang der z-Achse verläuft. Das magnetische Wechselfeld weist beispielhaft einen dritten Winkel f_ RF relativ zur x-Achse auf, und liegt innerhalb der x-y- Ebene. Amplitude A in the ODMR spectrum depends on the second angle 0_RF between the alternating magnetic field and the respective orientation direction. FIG. 9 illustrates the four possible orientation directions A1 to A4, wherein a first orientation direction A1 extends along the z-axis. By way of example, the alternating magnetic field has a third angle f_RF relative to the x-axis, and lies within the xy plane.
In Figur 10 ist die entsprechende Abhängigkeit der Übergangswahrscheinlichkeit P als Funktion des dritten Winkels f_ RF illustriert. Die FIG. 10 illustrates the corresponding dependence of the transition probability P as a function of the third angle f_RF. The
Übergangswahrscheinlichkeit P ist proportional zur Resonanzamplitude im ODMR-Spektrum. Da das magnetische Wechselfeld senkrecht zur ersten Orientierungsrichtung Al verläuft, weist die erste Übergangswahrscheinlichkeit Bl einen konstanten Verlauf auf. Die Nutationsfrequenz ist für die z-Richtung maximal, da das magnetische Wechselfeld in der x-y-Ebene oszilliert. Ein tt-Puls wird in diesem Fall die Besetzungswahrscheinlichkeit unabhängig von dem dritten Winkel f_ RF invertieren. Die zweiten bis vierten Transition probability P is proportional to the resonance amplitude in the ODMR spectrum. Since the magnetic alternating field is perpendicular to the first orientation direction Al, the first transition probability Bl has a constant course. The nutation frequency is maximal for the z-direction because the alternating magnetic field oscillates in the x-y plane. In this case, a tt pulse will invert the occupation probability independently of the third angle f_RF. The second to fourth
Übergangswahrscheinlichkeiten B2 bis B4 weisen jeweils zueinander verschobene Minima C2 bis C4 auf, d. h. eine charakteristische Abhängigkeit von dem dritten Winkel f_ RF. Transition probabilities B2 to B4 have mutually shifted minimums C2 to C4, respectively. H. a characteristic dependence on the third angle f_RF.
Vorzugsweise wird daher das von der Magnetfeldeinrichtung 3 angelegte magnetische Wechselfeld senkrecht zu einer der Orientierungsrichtungen Al bis A4 gewählt und anschließend die Magnetfeldrichtung innerhalb der Ebene variiert. Durch Ermitteln der Minima C2 bis C4 können die dritten Winkel f_ RF bestimmt werden und dadurch die Orientierungsrichtungen A2 bis A4 im ODMR- Spektrum bestimmt werden. Dadurch können die Senken-Paare Dl-Dl bis D4- D4 bzw. die entsprechenden Resonanzfrequenzen den jeweiligen Preferably, therefore, the alternating magnetic field applied by the magnetic field device 3 is selected perpendicular to one of the orientation directions A1 to A4, and then the magnetic field direction within the plane is varied. By determining the minimums C2 to C4, the third angles f_RF can be determined and thereby the orientation directions A2 to A4 in the ODMR spectrum can be determined. As a result, the sink pairs Dl-Dl to D4-D4 or the corresponding resonant frequencies of the respective
Orientierungsrichtungen zugeordnet werden. Orientation directions are assigned.
Prinzipiell ist es möglich, durch eine Messung bei einem einzigen dritten Winkel f_ RF die Orientierungsrichtungen zu ermitteln. In diesem Fall muss die In principle, it is possible to determine the orientation directions by measuring at a single third angle f_RF. In this case, the
Magnetfeld richtung des magnetischen Wechselfelds nicht zwingend variabel sein. Da jedoch verschiedene Übergangswahrscheinlichkeiten Bl bis B4 für einen festen dritten Winkel f_ RF häufig nur schwer unterschieden werden können, ist eine Variation des dritten Winkels f_ RF vorteilhaft.
Im Allgemeinen ist hierzu bereits ein zweidimensionaler RF-Magnet als Magnetic field direction of the alternating magnetic field is not necessarily variable. However, since different transition probabilities Bl to B4 are often difficult to distinguish for a fixed third angle f_RF, variation of the third angle f_RF is advantageous. In general, this is already a two-dimensional RF magnet as
Magnetfeldeinrichtung 3 geeignet. Vorzugsweise ist das magnetische Magnetic field device 3 suitable. Preferably, the magnetic
Wechselfeld der Magnetfeldeinrichtung 3 jedoch in sämtlichen drei Alternating field of the magnetic field device 3, however, in all three
Raumrichtungen einstellbar. Dadurch kann die Genauigkeit der Room directions adjustable. This can reduce the accuracy of the
Richtungsbestimmung erhöht werden. Vorzugsweise wird das Verfahren somit für sämtliche Orientierungsrichtungen Al bis A4 nacheinander durchgeführt. Direction determination can be increased. Preferably, the method is thus carried out successively for all orientation directions A1 to A4.
Falls das magnetische Wechselfeld orthogonal zu einer der vier möglichen Orientierungsrichtungen ausgerichtet ist, weist die Resonanzlinie eine im Vergleich zu den anderen drei Resonanzlinien stärkere Abhängigkeit von dem magnetischen Wechselfeld auf. Diese Resonanz zeigt somit die größte If the alternating magnetic field is aligned orthogonal to one of the four possible orientation directions, the resonance line has a stronger dependence on the alternating magnetic field compared to the other three resonance lines. This resonance thus shows the largest
Signalamplitude im Spektrum. D.h. der entsprechende Dip im ODMR-Spektrum ist extremal (Minimum). Damit kann den auftretenden Resonanzlinien eine absolute Richtung zugeordnet werden. Gemäß Gleichung (1) kann die Signal amplitude in the spectrum. That the corresponding dip in the ODMR spectrum is extremal (minimum). Thus, the resonance lines occurring can be assigned an absolute direction. According to equation (1), the
Auswerteeinrichtung 5 das Magnetfeld in Betrag und Richtung ermitteln. Evaluation device 5 determine the magnetic field in magnitude and direction.
Zusätzlich zu der Magnetfeldstärke kann somit auch die Magnetfeldrichtung des äußeren Magnetfelds exakt bestimmt werden. In addition to the magnetic field strength, the magnetic field direction of the external magnetic field can thus be determined exactly.
Die Erfindung ermöglicht es somit aufgrund der vektoriellen Kontrolle des magnetischen Wechselfeldes, d. h. der Einsteilbarkeit der Magnetfeldrichtung des magnetischen Wechselfeldes, die Peaks im ODMR-Spektrum absoluten Raumachsen zuzuordnen. The invention thus makes it possible due to the vectorial control of the alternating magnetic field, d. H. the adjustability of the magnetic field direction of the alternating magnetic field, the peaks in the ODMR spectrum absolute space axes assign.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Ausrichtung der Magnetfeldrichtung des magnetischen Wechselfeldes relativ zu den Orientierungsrichtungen der Probe 2 bereits bekannt. Beispielweise kann aufgrund des Herstellungsverfahrens der Probe 2 die Lage der Orientierungsrichtungen der Probe 2 bereits bekannt sein. Die Probe 2 wird in fester Orientierung mit der Magnetfeldeinrichtung 3 verbunden bzw. in diese eingefügt. Anhand der durch die Leiterspulen 31, 32, 33 fließenden Ströme kann die Auswerteeinrichtung 5 darüber hinaus stets die genaue Magnetfeldrichtung des von der Magnetfeldeinrichtung 3 angelegten Wechselfeldes berechnen. Anhand dieser Informationen kann die According to one embodiment, the orientation of the magnetic field direction of the alternating magnetic field relative to the orientation directions of the sample 2 is already known. For example, due to the manufacturing process of the sample 2, the position of the orientation directions of the sample 2 may already be known. The sample 2 is connected in fixed orientation with the magnetic field device 3 or inserted into this. On the basis of the currents flowing through the conductor coils 31, 32, 33, the evaluation device 5 can furthermore always calculate the exact magnetic field direction of the alternating field applied by the magnetic field device 3. Based on this information, the
Auswerteeinrichtung 5 somit die Ausrichtung der Magnetfeldrichtung des magnetischen Wechselfeldes relativ zu den Orientierungsrichtungen der Probe 2 berechnen.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann diese Ausrichtung jedoch in einem anfänglich durch geführten Kalibrierschritt bestimmt werden. Dieser Evaluation device 5 thus calculate the orientation of the magnetic field direction of the alternating magnetic field relative to the orientation directions of the sample 2. However, according to further embodiments, this alignment may be determined in an initially performed calibration step. This
Kalibrierschritt kann vor der Erstinbetriebnahme der Vorrichtung 1 oder vor jeder Messung eines äußeren Magnetfelds durchgeführt werden. Calibration step may be performed before the first start-up of the device 1 or before each measurement of an external magnetic field.
Demnach wird die Probe zuerst in ein äußeres Test- Magnetfeld mit bekannter Magnetfeldstärke und Magnetfeld richtung eingebracht. Die Magnetfeldstärke des Test- Magnetfelds kann beispielsweise 1 mT betragen. Dadurch wird verhindert, dass die vier Paare Dl-Dl bis D4-D4 der Elektronenspinresonanz, welche den vier möglichen Ausrichtungen des NV-Zentrums im Diamant entsprechen, entartet sind. Accordingly, the sample is first introduced into an external test magnetic field with known magnetic field strength and magnetic field direction. The magnetic field strength of the test magnetic field may be 1 mT, for example. This prevents the four pairs of the electron spin resonance Dl-Dl to D4-D4 which correspond to the four possible orientations of the NV center in the diamond from being degenerate.
Nun wird die Magnetfeldrichtung des magnetischen Wechselfeldes relativ zu der Magnetfeld richtung des äußeren Test- Magnetfelds variiert. Beispielweise können die zweiten Winkel 0_RF und dritten Winkel f_ RF in Schritten von 10° variiert werden. Mittels der Messeinrichtung 4 werden ODMR-Spektren erzeugt. Die aufgenommenen ODMR-Spektren werden hinsichtlich der Amplitude der Resonanz analysiert. Insbesondere werden diejenigen Winkelpaare (0_RF, f_ RF) ermittelt, für welche die Amplitude im ODMR-Spektrum den maximalen Wert annimmt. Dies kann beispielweise durch eine Ausgleichsrechnung erfolgen. Die so ermittelten Winkelpaare spannen die Ebene auf, welche orthogonal zur entsprechenden Kristallrichtung bzw. Orientierungsrichtung ist. Dieses Verfahren kann für alle vier Orientierungsrichtungen durchgeführt werden. Damit sind alle relevanten Winkel bekannt und die vier möglichen Orientierungsrichtungen des NF-Zentrums im Diamantgitter sind identifiziert. Now, the magnetic field direction of the alternating magnetic field is varied relative to the magnetic field direction of the external test magnetic field. For example, the second angles 0_RF and third angle f_RF can be varied in steps of 10 °. By means of the measuring device 4 ODMR spectra are generated. The recorded ODMR spectra are analyzed for the amplitude of the resonance. In particular, those angle pairs (0_RF, f_RF) are determined for which the amplitude in the ODMR spectrum assumes the maximum value. This can be done for example by a compensation calculation. The pairs of angles determined in this way span the plane which is orthogonal to the corresponding crystal direction or orientation direction. This method can be performed for all four orientation directions. Thus, all relevant angles are known and the four possible orientation directions of the NF center in the diamond lattice are identified.
Die Auswerteeinrichtung 5 kann somit die vier möglichen Orientierungsrichtungen der Probe 2 bestimmen. Dadurch ist es möglich, im Messbetrieb das The evaluation device 5 can thus determine the four possible orientation directions of the sample 2. This makes it possible, in measuring operation the
magnetische Wechselfeld orthogonal zu den Orientierungsrichtungen zu wählen. alternating magnetic field orthogonal to the orientation directions to choose.
In Figur 11 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Messen einer FIG. 11 is a flowchart of a method for measuring a
Magnetfeld richtung eines äußeren Magnetfelds illustriert, welches insbesondere mit einer oben beschriebenen Vorrichtung 1 durchgeführt werden kann. Optional
kann zuerst eine soeben beschriebene Kalibrierung der Vorrichtung 1 Magnetic field direction of an external magnetic field illustrated, which can be carried out in particular with a device 1 described above. optional First, a just described calibration of the device 1
durchgeführt werden. be performed.
In einem Verfahrensschritt S1 wird nun eine Probe 2 in das äußere Magnetfeld eingebracht, wobei die Probe 2 Defekte und entsprechende In a method step S1, a sample 2 is now introduced into the external magnetic field, wherein the sample 2 defects and corresponding
Orientierungsrichtungen aufweist. Orientation directions.
In einem Verfahrensschritt S2 wird ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, wobei die Magnetfeldrichtung vorgebbar und vorzugsweise variabel einstellbar ist. Die Magnetfeldrichtung kann bevorzugt mindestens in einer Ebene variiert werden.In a method step S2, an alternating magnetic field is generated, wherein the magnetic field direction can be predetermined and is preferably variably adjustable. The magnetic field direction can preferably be varied at least in one plane.
Bevorzugt ist die Magnetfeldrichtung in sämtlichen drei Raumdimensionen einstellbar. Preferably, the magnetic field direction is adjustable in all three spatial dimensions.
In einem Verfahrensschritt S3 werden Spinresonanzeffekte gemessen, welche aus Wechselwirkungen der Probe 2 mit dem magnetischen Wechselfeld resultieren. Insbesondere kann hierzu ein ODMR-Spektrum erfasst werden. In a method step S3, spin resonance effects are measured, which result from interactions of the sample 2 with the alternating magnetic field. In particular, an ODMR spectrum can be detected for this purpose.
In einem Verfahrensschritt S4 wird die Magnetfeldrichtung des äußeren In a method step S4, the magnetic field direction of the outer
Magnetfelds in Abhängigkeit der gemessenen Spinresonanzeffekte ermittelt. Hierzu wird die Ausrichtung der Magnetfeldrichtung des magnetischen Magnetic field determined in dependence of the measured spin resonance effects. For this purpose, the orientation of the magnetic field direction of the magnetic
Wechselfelds relativ zu den Orientierungsrichtungen der Probe 2 berücksichtigt. Die genaue Berechnung kann die oben erläuterten Schritte umfassen.
Alternating field relative to the orientation directions of the sample 2 taken into account. The exact calculation may include the steps explained above.
Claims
1. Verfahren zum Messen einer Magnetfeldrichtung eines äußeren A method of measuring a magnetic field direction of an outer
Magnetfelds, mit den Schritten: Magnetic field, with the steps:
Einbringen (Sl) einer Probe (2) in das äußere Magnetfeld, wobei die Probe (2) Defekte aufweist, welche entsprechende Introducing (Sl) a sample (2) into the external magnetic field, wherein the sample (2) has defects which correspond to
Orientierungsrichtungen der Probe (2) vorgeben; Specify orientation directions of the sample (2);
Erzeugen (S2) eines magnetischen Wechselfelds mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren Magnetfeld richtung im Bereich der Probe (2); Generating (S2) an alternating magnetic field with a predetermined or predetermined magnetic field direction in the region of the sample (2);
Messen (S3) von Spinresonanzeffekten aufgrund von Wechselwirkungen der Probe (2) mit dem magnetischen Wechselfeld; und Measuring (S3) spin resonance effects due to interactions of the sample (2) with the alternating magnetic field; and
Ermitteln (S4) der Magnetfeldrichtung des äußeren Magnetfelds unter Verwendung der gemessenen Spinresonanzeffekte und einer Ausrichtung der Magnetfeldrichtung des magnetischen Wechselfelds relativ zu den Orientierungsrichtungen der Probe (2). Determining (S4) the magnetic field direction of the external magnetic field using the measured spin resonance effects and an orientation of the magnetic field direction of the alternating magnetic field relative to the orientation directions of the sample (2).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Messen von Spinresonanzeffekten ein Messen einer optisch detektierten magnetischen Resonanz und/oder einer elektrisch detektierten magnetischen Resonanz umfasst. 2. The method of claim 1, wherein measuring spin resonance effects comprises measuring an optically detected magnetic resonance and / or an electrically detected magnetic resonance.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Probe (2) ein Diamant ist, wobei die Defekte NV-Zentren sind, und wobei die The method of claim 1 or 2, wherein the sample (2) is a diamond, wherein the defects are NV centers, and wherein the
Orientierungsrichtungen mindestens einer der vier möglichen Orientation directions of at least one of the four possible
Ausrichtungen der NV-Zentren im Diamant- Kristallgitter entsprechen. Alignments of the NV centers in the diamond crystal lattice correspond.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the
Magnetfeldrichtung des magnetischen Wechselfelds senkrecht zu einer der Orientierungsrichtungen eingestellt wird, und eine Resonanzfrequenz des gemessenen Spinresonanzeffekts ermittelt wird und dieser Magnetic field direction of the alternating magnetic field is set perpendicular to one of the orientation directions, and a resonance frequency of the measured spin resonance effect is determined and this
Orientierungsrichtung zugeordnet wird, und wobei die Magnetfeldrichtung unter Verwendung der der Orientierungsrichtung zugeordneten
Resonanzfrequenz bestimmt wird. Orientation direction is assigned, and wherein the magnetic field direction using the associated with the orientation direction Resonant frequency is determined.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Einstellen des magnetischen Wechselfelds und das Ermitteln der Resonanzfrequenz nacheinander für alle Orientierungsrichtungen durchgeführt wird. 5. The method of claim 4, wherein adjusting the alternating magnetic field and determining the resonance frequency is performed successively for all orientation directions.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the
Orientierungsrichtungen der Probe (2) mittels des magnetischen Orientation directions of the sample (2) by means of the magnetic
Wechselfeldes in einem Kalibrierschritt ermittelt werden. Alternating field can be determined in a calibration step.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Kalibrierschritt folgende Schritte umfasst: 7. The method of claim 6, wherein the calibrating step comprises the steps of:
Einbringen der Probe (2) in ein äußeres Test- Magnetfeld mit bekannter Magnetfeldstärke und Magnetfeld richtung; Introducing the sample (2) in an external test magnetic field with known magnetic field strength and magnetic field direction;
Variieren der Magnetfeldrichtung des magnetischen Wechselfelds relativ zu der Magnetfeldrichtung des äußeren Test- Magnetfeldes, und Ermitteln von Maxima der Spinresonanzeffekte; und Varying the magnetic field direction of the alternating magnetic field relative to the magnetic field direction of the outer test magnetic field, and determining maxima of the spin resonance effects; and
Ermitteln der Orientierungsrichtungen der Probe (2) unter Verwendung derjenigen Magnetfeldrichtungen des magnetischen Wechselfeldes, bei welchen Maxima der Spinresonanzeffekte auftreten. Determining the orientation directions of the sample (2) using those magnetic field directions of the alternating magnetic field in which maxima of the spin resonance effects occur.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei eine der Orientierungsrichtungen der Probe (2) orthogonal zu einer Magnetfeld richtung ermittelt wird, bei welcher ein Maximum der Spinresonanzeffekte auftritt. 8. The method of claim 7, wherein one of the orientation directions of the sample (2) is determined orthogonal to a magnetic field direction, wherein a maximum of the spin resonance effects occurs.
9. Vorrichtung (1) zum Messen einer Magnetfeldrichtung eines äußeren Magnetfelds, mit: einer Probe (2), welche in das äußere Magnetfeld einbringbar ist, wobei die Probe (2) Defekte aufweist, welche entsprechende 9. A device (1) for measuring a magnetic field direction of an external magnetic field, comprising: a sample (2) which can be introduced into the external magnetic field, wherein the sample (2) has defects, which corresponding
Orientierungsrichtungen vorgeben;
einer Magnetfeldeinrichtung (3), welche dazu ausgebildet ist, ein magnetisches Wechselfeld mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren Magnetfeld richtung im Bereich der Probe (2) zu erzeugen; einer Messeinrichtung (4), welche dazu ausgebildet ist, Specify orientation directions; a magnetic field device (3) which is adapted to generate a magnetic alternating field with a predetermined or predeterminable magnetic field direction in the region of the sample (2); a measuring device (4), which is designed
Spinresonanzeffekte aufgrund von Wechselwirkungen der Probe (2) mit dem magnetischen Wechselfeld zu messen; und einer Auswerteeinrichtung (5), welche dazu ausgebildet ist, die To measure spin resonance effects due to interactions of the sample (2) with the alternating magnetic field; and an evaluation device (5), which is designed to, the
Magnetfeld richtung des äußeren Magnetfelds unter Verwendung der gemessenen Spinresonanzeffekte und einer Ausrichtung der Magnetic field direction of the external magnetic field using the measured spin resonance effects and an alignment of the
Magnetfeld richtung des magnetischen Wechselfelds relativ zu den Orientierungsrichtungen der Probe (2) zu ermitteln. Magnetic field direction of the alternating magnetic field relative to the orientation directions of the sample (2) to determine.
10. Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, wobei die Magnetfeldeinrichtung (3) dazu ausgebildet ist, die Magnetfeldrichtung des ausgesendeten magnetischen Wechselfeldes zu variieren.
10. Device (1) according to claim 9, wherein the magnetic field device (3) is adapted to vary the magnetic field direction of the emitted alternating magnetic field.
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