Magnetometry with Diamond

Gegenstand der Arbeit ist die Magnetometrie mit Stickstoff-Fehlstellen-Zentren im Diamantgitter und die Entwicklung eines Rastersondenmagnetometers auf Basis eines Ensembles dieser Defektzentren. Ein solches Instrument verspricht eine bislang nicht erreichte Kombination von Feldsensitivität und räumlicher Auflösung während einer Magnetfeldmessung, und kann damit einen wichtigen Beitrag für das Verständnis von magnetischen Systemen und Phänomenen liefern. Die Arbeit widmet sich zunächst dem Verständnis der elektronischen Zustände des Defekts, und wie diese optisch untersucht werden können. Gleichzeitige Anregung der Zentren durch sichtbares Licht und elektromagnetischer Strahlung im Bereich von Mikrowellenfrequenzen machen es möglich, die elektronische Spinstruktur des Defekts zu messen und zu manipulieren. Dadurch kann direkt der Einfluss von externen Magnetfeldern auf die Energie der Spinzustände ausgelesen werden. Die quantenmechanischen Auswahlregeln der verschiedenen Anregungen können für eine selektive Anregung der Zentren entlang einer bestimmten kristallographischen Achse verwendet werden. Damit kann eine Ensemble von Defekten zur Vektormagnetometrie, ohne auf ein zusätzliches äußeres Magnetfeld angewiesen zu sein, welches die untersuchte Probe nachhaltig beeinflussen kann. Anschließend wird die Entwicklung einer geeigneten Mikrowellenantenne dargestellt, die in einem späteren Rastersondenexperiment mit den Defekten auf geringem Raum eingesetzt werden kann. Außerdem werden die einzelnen Schritte präsentiert, wie die Farbzentren im Diamantgitter erzeugt werden und aus großen Diamantplättchen Nanostrukturen erzeugt werden, die als Rasterkraftsonden eingesetzt werden können. Die fertigen Sonden können in einem modularen Rasterkraftaufbau verwendet werden, der über einen zusätzlichen optischen Zugang verfügt, sodass die Information des Spinsensors ausgelesen werden kann. In verschiedenen Testexperimenten wird die Funktionsweise des gesamten Apparats demonstriert.The present thesis demonstrates the basic principles of magnetometry with color centers in the diamond lattice called nitrogen-vacancy (NV) centers, and how these can be applied in a scanning probe magnetometer by using nanostructured diamond samples. The combination of high sensitivity magnetic field sensors, small detection volumes and a spatial precision in the nanometer range will lead to an unprecedented tool to investigate magnetic systems and phenomenons. The thesis explores the electronic structure of the defects by means of optical spectroscopy. The interaction between the electron spin and external electromagnetic fields with microwave frequencies allows for manipulation of the spin states, whose energies are also sensitive to the magnetic field. Combined optical and microwave excitation thus offers a way to measure the local magnetic field by using the crystal defect as a probe. The thesis presents further a method to distinguish between spin signals of the NV centers along the four crystallographic equivalent axes. This enables vector magnetometry with an ensemble of NV centers which is otherwise only achievable with help of an additional external bias magnetic field, but which can undesirably influence the investigated samples. The development of an appropriate microwave antenna is demonstrated, which can be used for manipulating the electron spin of the NV center in a multi-dimensional scanning probe experiment. The thesis illustrates further how NV centers are created in diamond samples and how diamond structures in the nanometer range can be fabricated in a top-down process. In a final step, a nanostructured diamond cantilever is introduced into a self-designed, pre-characterized atomic force microscope setup with optical access for electron spin initialization and read-out. Its functionality is demonstrated in several experiments