Ein Diamant, ein Laser und ein erstaunlicher Effekt: Freiburger Forscher lösen altes Sensorproblem

Ein Magnetfeld kann einen Laser vollständig ausschalten. Forschende aus Freiburg nutzen diesen Effekt für einen neuartigen Quantensensor. Ihr System erreicht 100 % optischen Kontrast und soll zwei bisher schwer vereinbare Eigenschaften zusammenbringen: hohe Empfindlichkeit und einen großen Messbereich. Die Technik könnte eines Tages sogar dabei helfen, Gehirnsignale zu erfassen.

Ein Diamant sitzt mitten in einem Laser. Verändert sich das Magnetfeld, ändern sich die optischen Eigenschaften des Diamanten – und unter bestimmten Bedingungen erlischt der Laserstrahl vollständig. Diesen Effekt hat ein Forschungsteam am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg für ein neues Messverfahren genutzt.

Die Ergebnisse sind im Fachjournal Nature Communications erschienen. Der Sensor erreicht einen optischen Kontrast von 100 % und liefert ein Lasersignal mit bis zu 50 mW Leistung. Bei einer kombinierten Bewertung von Empfindlichkeitslimit und Messbereich schneidet der Ansatz nach Berechnungen der Forschenden bis zu 590-mal besser ab als ausgewählte bisherige Verfahren. Hinter dem Ergebnis steckt eine Idee, an der das Freiburger Team seit rund zehn Jahren arbeitet.

Warum Magnetfeldsensoren bisher an Grenzen stoßen

Magnetfelder entstehen überall dort, wo elektrische Ladungen in Bewegung sind. Sie finden sich in elektrischen Maschinen, technischen Anlagen und sogar im menschlichen Körper. Die elektrischen Aktivitäten des Herzens und des Gehirns erzeugen beispielsweise winzige Magnetfelder, die sich mit geeigneten Sensoren erfassen lassen.

Je schwächer diese Felder sind, desto empfindlicher muss das Messgerät sein. Allerdings gibt es dabei ein Problem: Besonders empfindliche Magnetfeldsensoren können häufig nur einen kleinen Bereich unterschiedlicher Feldstärken zuverlässig messen. Soll der Sensor dagegen deutlich stärkere und schwächere Felder gleichermaßen erfassen, geht das oftmals zulasten seiner Empfindlichkeit.

Fachleute sprechen vom Dynamikbereich. Er beschreibt die Spanne der Magnetfeldänderungen, die sich innerhalb des vorgesehenen Messverfahrens auswerten lässt. Die Forschenden wollen diesen Zielkonflikt entschärfen. Ihr Sensor soll winzige Änderungen erkennen, ohne dass dafür der nutzbare Messbereich stark eingeschränkt werden muss.

Warum ausgerechnet ein Diamant?

Die Freiburger Forschenden verwenden einen Diamanten mit gezielt erzeugten Fehlstellen im Kristallgitter. An diesen Stellen sitzt ein Stickstoffatom anstelle eines Kohlenstoffatoms. Direkt daneben fehlt ein weiteres Kohlenstoffatom.

Diese Kombination wird als Stickstoff-Vakanzzentrum bezeichnet, kurz NV-Zentrum. Solche Defekte besitzen besondere quantenphysikalische Eigenschaften. Sie reagieren auf Magnetfelder und lassen sich mithilfe von Licht und Mikrowellen untersuchen.

Die Technik ist grundsätzlich bekannt. Auch andere Quantensensoren auf Diamantbasis nutzen solche Fehlstellen, um schwache Magnetfelder zu erfassen. Forschende der Princeton University haben beispielsweise mithilfe von Quantenverschränkung die Empfindlichkeit solcher Sensoren erhöht.

Üblicherweise wird der Diamant mit Licht angeregt. Seine NV-Zentren senden daraufhin selbst Licht aus. Dieses Fluoreszenzlicht verändert sich, wenn Mikrowellen bestimmte Zustände der NV-Zentren anregen. Die dafür benötigten Mikrowellenfrequenzen hängen wiederum vom Magnetfeld ab.

Allerdings fallen die Helligkeitsunterschiede meist gering aus. Der optische Kontrast beträgt bei herkömmlichen NV-Magnetometern häufig nur wenige Prozent. Die Messgeräte müssen deshalb sehr kleine Veränderungen eines ohnehin schwachen Lichtsignals erkennen. Die Freiburger Forschenden haben sich für einen anderen Weg entschieden.

Wie ein Diamant den Laser ausschaltet

Statt das Fluoreszenzlicht direkt zu messen, bauen die Forschenden den Diamanten in den Resonator eines Lasers ein. Dort wird Licht zwischen Spiegeln hin- und hergeführt. Ein zusätzliches Halbleitermedium verstärkt das Licht und ermöglicht den Laserbetrieb. Der Diamant beeinflusst dabei, wie viel Licht im Resonator verloren geht.

Wird eine passende Mikrowellenfrequenz eingestrahlt, verändern die NV-Zentren ihren quantenmechanischen Zustand. Dadurch ändert sich auch ihre Absorption, also wie viel Licht sie aufnehmen. Weil die Resonanzfrequenzen vom Magnetfeld abhängen, lassen sich dessen Veränderungen über die Lichtverluste im Laser erfassen.

Dabei spielt die sogenannte Laserschwelle eine wichtige Rolle. Sie bezeichnet den Punkt, ab dem die Lichtverstärkung groß genug ist, um die Verluste im Resonator auszugleichen. Erst oberhalb dieser Schwelle setzt der Laserbetrieb ein.

Die Freiburger Forschenden können diese Schwelle mithilfe der NV-Zentren verschieben. Erhöhen sich die optischen Verluste ausreichend, reicht die Verstärkung nicht mehr aus. Der Laser geht aus.

Das Besondere: Zwischen eingeschaltetem und ausgeschaltetem Zustand liegt ein optischer Kontrast von 100 %. Bei herkömmlichen fluoreszenzbasierten NV-Sensoren sind es meist nur wenige Prozent.

Gleichzeitig liefert das neue System ein Lasersignal mit bis zu 50 mW Leistung. Die Forschenden werten damit nicht mehr das schwache Fluoreszenzlicht aus, sondern die deutlich stärkere Laserstrahlung.

Zwei Messbereiche zeigen, was der Sensor leisten kann

Wie empfindlich ein Magnetfeldsensor ist, hängt nicht allein davon ab, wie stark sich sein Ausgangssignal verändert. Ebenso wichtig sind das Rauschen und der nutzbare Messbereich.

Die Freiburger Forschenden haben deshalb verschiedene Diamantproben und Einstellungen untersucht. Dabei konnten sie entweder einen besonders großen Dynamikbereich oder ein niedrigeres berechnetes Empfindlichkeitslimit erzielen.

Zum Vergleich: Das Magnetfeld der Erde liegt je nach Standort ungefähr zwischen 25 und 65 Mikotesla (µT). Der größere Messbereich des Freiburger Sensors umfasst somit Feldänderungen, die ein Mehrfaches des Erdmagnetfelds erreichen.

Die zweite Konfiguration ist auf höhere Empfindlichkeit ausgelegt. Hier erreichten die Forschenden für eine der untersuchten Richtungen der NV-Zentren sogar ein berechnetes Empfindlichkeitslimit von 127 Femtotesla pro Wurzel Hertz.

Ein Femtotesla entspricht einem Billiardstel Tesla. Tesla ist die Einheit der magnetischen Flussdichte. Die Angabe pro Wurzel Hertz beschreibt, wie die Rauschgrenze von der Messbandbreite abhängt.

Allerdings ist eine Einschränkung wichtig: Bei diesen Werten handelt es sich um berechnete Grenzen unter der Annahme, dass das sogenannte Photonenschrotrauschen die Messung bestimmt. Dieses Rauschen entsteht durch die statistischen Schwankungen beim Nachweis einzelner Lichtteilchen.

Im praktischen Betrieb können weitere Störquellen hinzukommen. Die Werte beschreiben deshalb noch nicht die unter sämtlichen realen Bedingungen erreichte Messempfindlichkeit.

Was bedeutet der Verbesserungsfaktor 590?

Bei ihrer Auswertung berücksichtigen die Forschenden sowohl das Empfindlichkeitslimit als auch den Dynamikbereich. Verglichen mit ausgewählten fluoreszenzbasierten NV-Magnetometern und Gaszellen-Magnetometern verbessert sich das Verhältnis dieser Kenngrößen um einen Faktor von bis zu 590. Das bedeutet ausdrücklich nicht, dass der neue Sensor grundsätzlich 590-mal genauer misst als jedes bisherige Magnetometer.

Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit zur dreidimensionalen Messung. Die NV-Zentren können im Diamantgitter unterschiedlich ausgerichtet sein. Aus ihren jeweiligen Resonanzsignalen lässt sich nicht nur die Stärke, sondern auch die Richtung eines Magnetfelds bestimmen.

„Mit unserem Ansatz können wir potenziell einen Zielkonflikt lösen, der die Entwicklung und Anwendungen von Magnetfeldsensoren lange limitiert hat. Damit rückt eine neue Generation mobiler, hochempfindlicher Magnetfeldsensoren in greifbare Nähe“, erklärt Florian Schall, Erstautor der Studie, in der Pressemitteilung des Fraunhofer IAF vom 22. Oktober 2026.

Zehn Jahre Forschung bis zum vollständigen Kontrast

Die Idee zur Laserschwellen-Magnetometrie entstand bereits vor rund zehn Jahren. Jan Jeske, heute Leiter der Gruppe Quantensensorik am Fraunhofer IAF, untersuchte damals theoretisch, wie sich NV-Zentren verwenden lassen, um die Laserschwelle von einem Magnetfeld abhängig zu machen.

Ein wichtiger experimenteller Schritt gelang dem Team bereits 2025. In der Fachzeitschrift APL Photonics beschrieben die Forschenden ein Lasersystem mit zwei Medien, bei dem sich die magnetfeldabhängige Verschiebung der Laserschwelle nachweisen ließ.

Die jetzt in Nature Communications veröffentlichte Arbeit geht darüber hinaus. Das Team erreichte den vollständigen optischen Kontrast und untersuchte systematisch, wie sich Empfindlichkeitslimit und Dynamikbereich gegeneinander abwägen lassen.

„Die Verbesserung von mehreren Größenordnungen für die Sensorik hat uns motiviert, die Laserschwellen-Magnetometrie langfristig weiterzuverfolgen. Es macht mich sehr glücklich, zu sehen, dass die magnetfeldabhängige Verschiebung der Laserschwelle nun experimentell vollständig nachgewiesen wurde“, sagt Jeske in derselben Fraunhofer-Pressemitteilung.

Können solche Sensoren künftig Gehirnsignale messen?

Eine mögliche Anwendung liegt in der Medizin. Elektrische Aktivitäten im Körper erzeugen schwache Magnetfelder. Mit geeigneten Sensoren lassen sich beispielsweise die Signale des Herzens, der Muskulatur und des Gehirns untersuchen.

Die Freiburger Forschung ist Teil des Projekts NeuroQ. Dort arbeiten mehrere Partner an Quantensensoren, die langfristig für Gehirn-Computer-Schnittstellen eingesetzt werden sollen.

Das Ziel ist, Hirnaktivitäten magnetisch zu erfassen und daraus Steuerbefehle für Exoskelette abzuleiten. Menschen mit Lähmungen könnten solche Bewegungshilfen möglicherweise eines Tages durch ihre Gehirnaktivität steuern.

Von einer fertigen Anwendung ist das Projekt allerdings noch entfernt. Das jetzt vorgestellte Lasersystem ist ein Forschungsaufbau und wurde nicht als einsatzfähige Gehirn-Computer-Schnittstelle demonstriert.

Auch für die Magnetnavigation und die Suche nach magnetischen Anomalien im Untergrund sehen die Forschenden Potenzial. Ob sich der Sensor dafür eignet, muss sich ebenfalls erst zeigen.

Was fehlt noch für den praktischen Einsatz?

Ein hoher optischer Kontrast allein macht noch keinen praxistauglichen Magnetfeldsensor. Entscheidend ist, wie zuverlässig sich das Signal unter realen Bedingungen auswerten lässt.

Im bisherigen Aufbau beeinflussen unter anderem Schwankungen der verwendeten Pumplaser und die Stabilität des optischen Resonators die Messung. Die Forschenden müssen solche technischen Störungen weiter reduzieren, um sich dem berechneten Empfindlichkeitslimit anzunähern.

Hinzu kommt der Aufwand für die optischen Komponenten und deren Ansteuerung. Das System arbeitet mit einem Diamanten und einem zusätzlichen verstärkenden Lasermedium, die getrennt optisch angeregt werden. Für mobile Anwendungen müsste dieser Aufbau erheblich kompakter und robuster werden.

Die Freiburger Ergebnisse zeigen dennoch, dass sich die bisherigen Grenzen bei der Kombination von Empfindlichkeit und Dynamikbereich verschieben lassen. Erstmals gelang in diesem Laserschwellen-System ein vollständiger optischer Kontrast bei zugleich hoher Ausgangsleistung.

Ob daraus einmal ein tragbarer Sensor für die medizinische Diagnostik oder die Navigation entsteht, hängt nun vor allem davon ab, wie gut sich das Verfahren außerhalb des Labors stabilisieren lässt.

Quellen

• Fraunhofer IAF (22.10.2026): NV-Diamant-Lasersystem misst Magnetfelder erstmals optisch mit maximalem Kontrast – Originalmeldung, Zitate und Anwendungsfelder.
• Schall et al. (2026): Laser-enhanced quantum sensing boosts sensitivity and dynamic range, Nature Communications – begutachtete Originalpublikation.
• Schall et al. (03.05.2026): Aktualisierte frei zugängliche Fachfassung – technische Details, Messkonfigurationen und berechnete Empfindlichkeitslimits.
• Rottstaedt et al. (2025): Two-media laser threshold magnetometry, APL Photonics – experimentelle Vorarbeit.
• NeuroQ – Laserschwellen-Magnetometer für neuronale Kommunikationsschnittstellen – medizinischer Forschungskontext.