Vorrichtungen und Verfahren zur Mikroskopie für dreidimensionale Superauflösung

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Mikroskopie sowie der optischen Positionsbestimmung und betrifft insbesondere ein Verfahren zur superauflösenden Mikroskopie, ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines NV-Zentrums, ein Verfahren zur Mikroskopie basierend auf einer Vielzahl an mesoskopischen Festkörperelementen, ein Mikroskop sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Position eines NV-Zentrums von einem mesoskopischen

Festkörperelement.

In der Mikroskopie von biologischen Materialien werden üblicherweise konventionelle

Fluoreszenzstoffe oder Fluorophore zum Anfärben - also etwa Moleküle, die bei einer bestimmten Anregung optisch fluoreszieren - eingesetzt. Dabei lassen sich bei einem spezifischen Anfärben bestimmte Teile des biologischen Materials, etwa bestimmte Bereiche oder Organellen von biologischen Zellen, mit dem Fluoreszenzstoff versehen - dieser bindet also etwa an solche bestimmte Teile. Jene Teile, an welche der Fluoreszenzstoff gebunden ist, sind dann gegenüber anderen Teilen des biologischen Materials bei entsprechender Anregung aufgrund der Fluoreszenz hervorgehoben oder kenntlich gemacht. Auch lassen sich durch Anfärben - und somit insbesondere farblich hervorheben - von bestimmten Teilen des biologischen Materials die jeweiligen Positionen dieser bestimmten Teile basierend auf einer Erfassung eines Lichts, welches der Anfärbung entspricht, bestimmen oder im zeitlichen Verlauf verfolgen.

Neben konventionellen Fluoreszenzstoffen wie bei Anregung fluoreszierenden Molekülen, könnten auch mesoskopische Festkörperelemente mit wenigstens einem Farbzentrum etwa zur Anfärbung dienen.

Nanodiamanten (oder allgemeiner mesoskopischen Festkörperelemente) mit Stickstoff- Fehlstellen-Zentren als Farbzentren weisen bei optischer Anregung eine hohe Helligkeit, d. h. insbesondere eine hohe Lichtemission, sowie Photostabilität, d. h. insbesondere ein geringes Ausbleichen, auf. Zudem ist ein von einem solchen Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum emittiertes Emissionslicht abhängig von einem dort wirksamen Magnetfeld sowie von weiteren Einflussfaktoren wie etwa einer Mikrowellenstrahlung. Außerdem sind Nanodiamanten bio kompatibel.

So lässt sich eine Fluoreszenz oder Phosphoreszenz (oder allgemeiner Lumineszenz, fortan zusammenfassend kurz als„Fluoreszenz“ bezeichnet und entsprechend Fluoreszenzstoff bzw. Fluorophor) von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren oder allgemeiner von NV-Zentren - etwa bei Anwendungen wie der Bestimmung eines Magnetfelds oder bei der Quantenkryptographie oder für Quantencomputer-Systeme - abhängig vom dort wirksamen Magnetfeld und etwaigen weiteren Einflussgrößen steuern. So könnte etwa ein solches Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum als Emitter in einer festkörper-basierten Einzelphotonenquelle bei Raumtemperatur dienen. Etwa aufgrund der steuerbaren Fluoreszenz, einer hohen erzielbaren Empfindlichkeit und/oder eines großen erzielbaren Bereichs, über welchen eine Intensität des Emissionslichts von dem

Magnetfeld sowie der Mikrowellenstrahlung abhängt, werden solche Stickstoff-Fehlstellen- Zentren auch für verschiedene kommerzielle Felder wie etwa zur Untersuchung von

elektrischen Schaltkreisen oder für einen optisch integrierten Biosensor basierend auf einer optisch detektierten (Mikrowellen-) Resonanz eines Stickstoff-Fehlstellen-Zentrums eingesetzt. So wird etwa ein solcher optisch integrierter Biosensor in der Patentschrift US 8,193,808 B2 beschrieben.

Auch wurden hierzu Techniken entwickelt, um eine Position sowie etwaig Eigenschaften von einem Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in einem Diamanten superauflösend zu bestimmen. Dabei handelt es sich üblicherweise um Adaptionen von bekannten Techniken für eine

superauflösenden Mikroskopie wie etwa STED (STimulated Emission Depletion), welche eine hohe Lichtdosis erfordern, oder um Techniken für Diamanten im Allgemeinen, d. h.

insbesondere für makroskopische Diamanten, welche sich kontrolliert ausrichten lassen, wobei die (relative) Position von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in einem solchen Diamant basierend darauf bestimmt wird, dass das von dem Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum emittierte Licht nicht nur von der Stärke und/oder Frequenz des Magnetfelds bzw. der Mikrowellenstrahlung abhängt, sondern auch von der relativen Orientierung des Stickstoff-Fehlstellen-Zentrums zum

Magnetfeldverlauf des Magnetfelds.

Während Nanodiamanten mit einem Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum - etwa aufgrund ihrer Bio- Kompatibilität und Fluoreszenzeigenschaften wie hohe Helligkeit und hohe Photostabilität— eine Ergänzung oder ein Ersatz für konventionelle Fluorophore oder Fluoreszenzstoffe

Anwendung bei der Mikroskopie, insbesondere von biologischem Material, etwa zum Anfärben finden könnten, lassen sich solche Nanodiamanten üblicherweise und insbesondere in einem biologischen Material nicht kontrolliert ausrichten. Vielmehr können solche Nanodiamanten üblicherweise in einem biologischen Material rotieren und/oder ihre Orientierung ändern.

Es besteht Bedarf, fluoreszenzbasierte Vorrichtungen und Verfahren zur Mikroskopie und Positionsbestimmung - wie etwa bei der Mikroskopie eines mittels eines Fluoreszenzstoffs angefärbten biologischen Materials - zu verbessern sowie insbesondere die Auflösung davon - etwa die optische Auflösung bei der Mikroskopie - zu erhöhen und/oder Fluoreszenzstoffe zu ermöglichen oder zu ersetzen, sodass sich eine Biokompatibilität, Verlässlichkeit und/oder Effizienz steigern lässt.

Die Erfindung erfüllt diesen Bedarf jeweils durch ein Verfahren zur superauflösenden

Mikroskopie von einem Testobjekt, durch ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines NV-Zentrums von einem mesoskopischen Festkörperelement innerhalb eines Raumbereichs, durch ein Verfahren zur Mikroskopie basierend auf einer Vielzahl an mesoskopischen

Festkörperelementen, durch ein Mikroskop sowie durch eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Position eines NV-Zentrums von einem mesoskopischen Festkörperelement innerhalb eines Raumbereichs jeweils gemäß der Lehre einer der Hauptansprüche. Vorteilhafte

Ausführungsformen, Weiterbildungen und Varianten der vorliegenden Erfindung sind

insbesondere Gegenstand der Unteransprüche.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur superauflösenden Mikroskopie von einem Testobjekt. Dabei weist das Testobjekt eine Vielzahl an mesoskopischen

Festkörperelementen auf, welche jeweils wenigstens ein NV-Zentrum aufweisen. Zudem ist das Testobjekt innerhalb eines Raumbereichs angeordnet. Das Verfahren weist ein Bestrahlen des Raumbereichs mit einem Anregungslicht für die NV-Zentren der Vielzahl an mesoskopischen Festkörperelementen auf. Das Verfahren weist weiterhin ein Bestrahlen des Raumbereichs mit einer Mikrowellenstrahlung auf, deren Frequenz jener Frequenz entspricht, bei welcher eine resonante Mikrowellenabsorption ohne lokalem Magnetfeld bei den NV-Zentren auftritt. Das Verfahren weist weiterhin ein Abrastern von Raumabschnitten des Raumbereichs mit einer Auflösung jenseits eines Abbe-Limits für ein Emissionslicht auf, welches von den NV-Zentren - insbesondere bei optischer Anregung durch das Anregungslicht - emittierbar ist. Beim

Abrastern wird je Raumabschnitt der Raumabschnitte ein Magnetfeld über den Raumbereich erzeugt mit einem Magnetfeldverlauf, sodass das Magnetfeld lokal im jeweiligen Raumabschnitt verschwindet und eine jeweilige Raumausdehnung des Verschwindens des Magnetfelds bei dem jeweiligen Raumabschnitt zumindest in einer Dimension begrenzt ist auf eine Ausdehnung, welche kleiner als das Abbe-Limit ist. Alternativ zum Erzeugen des Magnetfelds oder in Kombination damit wird beim Abrastern je Raumabschnitt der Raumabschnitte die Mikrowellenstrahlung zum Bestrahlen so erzeugt, dass diese einen Mikrowellenfeldverlauf aufweist, lokal im jeweiligen Raumabschnitt verschwindet und eine jeweilige Raumausdehnung des Verschwindens der Mikrowellenstrahlung bei dem jeweiligen Raumabschnitt zumindest in einer Dimension begrenzt ist auf eine Ausdehnung, welche kleiner als das Abbe-Limit ist.

Außerdem wird beim Abrastern je Raumabschnitt der Raumabschnitte ein Licht im jeweiligen Raumabschnitt zumindest in einem Spektralbereich optisch erfasst, welcher dem Emissionslicht entspricht. Schließlich weist das Verfahren weiterhin ein Rekonstruieren eines Abbildes des Testobjekts basierend auf den Raumabschnitten und dem in den jeweiligen Raumabschnitten erfassten Licht auf, wobei in einigen Varianten das Rekonstruieren bezüglich der

Raumabschnitte zumindest auf einer bekannten Form sowie einer bekannten Anordnung der Raumabschnitte - zumindest relativ zueinander - basiert.

Im Sinne der Offenbarung ist unter„superauflösender Mikroskopie“ zumindest eine Mikroskopie mit einer Auflösung jenseits eines Abbe-Limits eines zur Mikroskopie verwendeten Lichts zu verstehen. Dabei kann die Auflösung - etwa bei Verwendung von Licht um sichtbaren Spektrum - höher als 500 nm sein, also etwa 300 nm, 150 nm, 100 nm oder 50 nm sein. Bei einer dreidimensionalen Mikroskopie kann sich die Auflösung für eine Auflösung in einer Fokalebene des Mikroskops und einer Auflösung bezüglich einer Achse durch die Fokalebene - also etwa für eine dreidimensionale Abbildung, welche aus mehreren zweidimensionalen Abbildungen aus mehreren Fokalebenen zusammengesetzt ist - unterscheiden. Entsprechend ist unter „superauflösend“ eine räumliche Präzision oder Genauigkeit mit einer solchen Auflösung zu verstehen. Zur superauflösenden Mikroskopie siehe etwa„Super-resolution microscopy“ bei https://en.wikipedia.org/wiki/Super-resolution_microscopy (etwa Version mit Stand vom 28. Juni 2019 bei https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Super- resolution_microscopy&oldid=903884823).

Im Sinne der Offenbarung ist unter einem„NV-Zentrum“ zumindest ein Farbzentrum zu verstehen, wobei das Farbzentrum abhängig von einem dort wirksamen Magnetfeld mittels eines Anregungslichts optisch anregbar ist und Emissionslicht vom angeregten Farbzentrum emittierbar ist. Ein solches Farbzentrum kann ein Defekt in einer Matrixstruktur, insbesondere in einem (etwaig kristallinen) Festkörper sein. Auch kann eine Intensität des Emissionslichts abhängig von einer resonanten Mikrowellenabsorption sein, wobei die resonante

Mikrowellenabsorption von dem Magnetfeld beim Farbzentrum abhängig ist. Auch kann ein solches NV-Zentrum ein Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum in einem Diamantgitter, etwa ein sogenanntes [NV] ^_ -Zentrum sein, welches Gegenstand aktueller Forschung ist. Bei einem solchen [NV]- -Zentrum wird derzeit in einem Modell von einem Mehrelektronensystem ausgegangen, welches als ein 3-Niveau-System mit einem Triplett-Grundzustand und einem angeregten Triplett-Zustand sowie wenigstens einem energetisch zwischen dem Grundzustand und dem angeregten Zustand liegenden Zwischenzustand - insbesondere einem Singulett- Zustand - (oder etwa zwei Zwischenzustände gemäß Doherty, Marcus W.; Manson, Neil B.; Delaney, Paul; Jelezko, Fedor; Wrachtrup, Jörg; Hollenberg, Lloyd C. L. (2013-07-01). "The nitrogen-vacancy colour centre in diamond". Physics Reports. The nitrogen-vacancy colour centre in diamond. 528 (1): 1-45) beschrieben wird. Auch lässt sich bei einem solchen [NV]-- Zentrum eine Elektronenspinresonanz anregen zwischen mehreren energetisch

unterschiedlichen Zuständen im Triplett-Grundzustand, welche sich aufgrund einer Spin- Wechselwirkung sowie eines etwaig beim NV-Zentrum wirkenden Magnetfelds energetisch unterscheiden. Zum Anregen der Elektronenspinresonanz lässt sich Mikrowellenstrahlung geeigneter Frequenz verwenden, sodass mittels einer Energie aus der Mikrowellenstrahlung das Elektronensystem von einem energetisch niedrigeren Zustand des Triplett-Grundzustands in einen energetisch höheren Zustand des Triplett-Grundzustands angehoben wird.

Im Sinne der Offenbarung ist unter einem„mesoskopischen Festkörperelement“ zumindest ein Objekt aus einem Festkörpermaterial zu verstehen, welches eine räumliche Ausdehnung - also etwa einen maximalen Durchmesser - unter 1 pm aufweist. Auch kann die räumliche

Ausdehnung größer als etwa 1 nm sein. Ein solches mesoskopisches Festkörperelement kann eine Matrixstruktur aus Atomen oder Molekülen, also etwa ein kristalliner Festkörper sein. Bei einem NV-Zentrum von einem mesoskopischen Festkörperelement weist das mesoskopische Festkörperelement etwa wenigstens dieses NV-Zentrum auf oder bildet es aus. Dabei kann das NV-Zentrum ein Defekt in einer Matrixstruktur des mesoskopischen Festkörperelements sein. Auch kann das mesoskopische Festkörperelement weitere NV-Zentren aufweisen. Ein solches mesoskopisches Festkörperelement kann etwa ein Nanodiamant sein oder umfassen. Dabei kann ein solcher Nanodiamant als NV-Zentrum ein Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum, also etwa ein [NV]--Zentrum oder ein [NV] °-Zentrum aufweisen. Auch kann ein solcher Nanodiamant als NV- Zentrum ein ST1- oder„Stuttgart -Farbzentrum aufweisen. Auch kann (allgemeiner) eine mesoskopische Diamantmatrix ein solches mesoskopisches Festkörperelement sein und als NV-Zentrum ein Farbzentrum in der Diamantmatrix aufweisen. Auch kann ein solches mesoskopisches Festkörperelement etwa aus 4H-SiC hergestellt sein und etwa eine

Festkörpermatrix, insbesondere ein Kristallgitter, aus 4H-SiC aufweisen. Dabei kann ein solches mesoskopisches Festkörperelement aus 4H-SiC als NV-Zentrum ein Farbzentrum wie etwa eine sogenannte„VcVsi DiVacancy“ oder eine sogenannte„NV Nitrogene Vacancy“ oder eine sogenannte„hexagonal lattice site Silicon vacancy (Vsi)“ (siehe etwa NATURE COMMUNICATIONS | (2019) 10:1954 | https://doi.org/10.1038/s41467-019-09873 | High-fidelity spin and optical control of single silicon-vacancy centres in Silicon Carbide), insbesondere im Kristallgitter, aufweisen.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines NV- Zentrums von einem mesoskopischen Festkörperelement innerhalb eines Raumbereichs. Das Verfahren weist ein Bestrahlen des Raumbereichs mit einem Anregungslicht für das NV- Zentrum auf. Das Verfahren weist weiterhin ein Bestrahlen des Raumbereichs mit einer Mikrowellenstrahlung, deren Frequenz jener Frequenz entspricht, bei welcher eine resonante Mikrowellenabsorption ohne lokalem Magnetfeld beim NV-Zentrum auftritt, auf. Das Verfahren weist weiterhin ein Abrastern von Raumabschnitten des Raumbereichs auf, wobei je

Raumabschnitt der Raumabschnitte entweder ein Magnetfeld über den Raumbereich erzeugt wird mit einem Magnetfeldverlauf, sodass das Magnetfeld lokal im jeweiligen Raumabschnitt verschwindet, oder die Mikrowellenstrahlung zum Bestrahlen so erzeugt wird, dass diese einen Mikrowellenfeldverlauf aufweist und lokal im jeweiligen Raumabschnitt verschwindet, oder sowohl ein Magnetfeld und eine Mikrowellenstrahlung derart erzeugt wird, dass wenigstens das Magnetfeld oder die Mikrowellenstrahlung lokal im jeweiligen Raumabschnitt verschwindet und etwaig das jeweils andere im jeweiligen lokalen Raumabschnitt entweder ebenfalls

verschwindet oder nicht verschwindet, und wobei je Raumabschnitt der Raumabschnitte ein Licht im jeweiligen Raumabschnitt zumindest in einem Spektralbereich optisch erfasst wird, welcher einem vom NV-Zentrum emittierten Emissionslicht entspricht. Außerdem weist das Verfahren ein Bestimmen der Position des NV-Zentrums basierend auf dem erfassten Licht in den jeweiligen Raumabschnitten auf.

Ein Vorteil des Abrasterns und des/der dabei im jeweiligen Raumabschnitt verschwindenden Magnetfelds oder verschwindenden Mikrowellenstrahlung kann insbesondere darin liegen, dass sich damit eine Intensität des Emissionslichts des NV-Zentrums, wenn es im jeweiligen

Raumabschnitt ist, verändern lässt, wodurch beim Abrastern eine Unterscheidung dieses jeweiligen Raumabschnitt von den übrigen Raumabschnitten ermöglicht wird und sich so eine optische Auflösung und/oder eine Genauigkeit bei der Bestimmung der Position erhöhen lässt. Ein Vorteil eines Unterscheidens des jeweiligen Abschnitts anhand einer Änderung der

Intensität des Emissionslichts aufgrund des Verschwindens des Magnetfelds bzw. der

Mikrowellenstrahlung kann insbesondere darin liegen, dass das Verschwinden unabhängig von einer Orientierung im Raum ist und somit lokal beim NV-Zentrum - unabhängig von dessen räumliche Orientierung - das Magnetfeld bzw. die Mikrowellenstrahlung verschwindet, wohingegen die Änderung der Intensität des Emissionslichts aufgrund eines endlichen Magnetfelds oder einer endlichen Mikrowellenstrahlung - also insbesondere nicht verschwindend - von der räumlichen Orientierung des NV-Zentrums gegenüber des

Magnetfelds bzw. der Mikrowellenstrahlung abhängen kann. Bei einer Unterscheidung des jeweiligen Raumabschnitt über das Verschwinden des Magnetfelds/der Mikrowellenstrahlung muss somit eine räumliche Orientierung des NV-Zentrums nicht bekannt sein, was etwa vorteilhaft bei einem biologischen Material oder bei anderen Materialien sein kann, bei welchen die räumliche Orientierung des NV-Zentrums nicht bestimmt wird oder sich aufgrund von Rotation gegenüber dem Material - wie etwa bei Flüssigkeiten - ändern kann. Entsprechendes gilt für die Vielzahl der mesoskopischen Festkörperelemente mit den NV-Zentren, wobei sich durch die Unabhängigkeit des Verschwindens des Magnetfelds bzw. der Mikrowellenstrahlung von der räumlichen Orientierung für jedes NV-Zentrum der NV-Zentren synergistisch die superauflösende Mikroskopie vereinfachen lässt, da etwa keine jeweilige Orientierung der NV- Zentren bestimmt werden muss. So weist die Vielzahl an mesoskopischen

Festkörperelementen in einigen Ausführungsformen wenigstens 100, wenigstens 1000 oder wenigstens 12000 mesoskopische Festkörperelemente und eine entsprechende Vielzahl an NV-Zentren - also wenigstens 100, wenigstens 1000 oder wenigstens 12000 - auf. Damit lässt sich vorteilhafte Weise - auch falls eine Bestimmung der jeweiligen Orientierung der NV- Zentren überhaupt möglich wäre - das Verfahren, da etwa keine Bestimmung der jeweiligen Orientierung erforderlich ist, effizienter machen.

Ein Vorteil des mesoskopischen Festkörperelements, welches das NV-Zentrum aufweist - also etwa als Defekt in einer Festkörpermatrix des mesoskopischen Festkörperelements wie etwa einer Diamantmatrix ausbildet -, kann insbesondere darin liegen, dass das NV-Zentrum eine hohe Photostabilität und/oder eine hohe Helligkeit - d. h. insbesondere eine hohe Intensität des Emissionslichts bei einer bestimmten Intensität des Anregungslichts - aufweist und/oder das mesoskopische Festkörperelement das NV-Zentrum von äußeren Einflüssen abschirmt - etwa stärker abschirmt als bei konventionellen Fluorophoren wie einzelnen fluoreszierenden

Molekülen -, wodurch sich die Effizienz und/oder Verlässlichkeit - etwa bei einem Anfärben mittels solcher mesoskopischer Festkörperelemente - steigern und ihre Anwendung vereinfachen lässt. Auch interagieren solche mesoskopischen Festkörperelemente

üblicherweise weniger mit einem - etwa biologischen - Material und haben somit eine erhöhte (Bio-) Kompatibilität, wodurch sich vorteilhaft eine (ungewollte) Beeinflussung eines

untersuchenden Materials reduzieren und somit die Anwendung vereinfachen lässt. Auch kann eine erhöhte (Bio-) Kompatibilität längere Messzeiten und damit etwa eine erhöhte Genauigkeit und/oder Verlässlichkeit ermöglichen. So lassen sich damit etwa bei der Untersuchung von einem biologischen Material dessen Eigenschaften untersuchen, ohne diese etwa aufgrund der Anfärbung mittels eines Fluoreszenzstoffs - also vorliegend einer Vielzahl von solchen NV- Zentren - (wesentlich) zu verändern. Auch lassen sich damit andere Anwendungen - also insbesondere nicht bei einem biologischen Material - verbessern, wobei sich etwa bestimmte (An-) Teile eines Produkts wie etwa einer chemischen Substanz oder eines Werkstücks mittels solcher NV-Zentren markieren lassen und diese Markierung aufgrund der hohen Helligkeit und/oder Photostabilität zur Bestimmung der Position dieser Markierungen verlässlich eingesetzt werden kann.

Die möglichen Vorteile, Ausführungsformen oder Varianten des ersten Aspekts der Erfindung gelten entsprechend auch für das Verfahren zur Bestimmung einer Position eines NV-Zentrums.

Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft Verfahren zur Mikroskopie basierend auf einer Vielzahl an mesoskopischen Festkörperelementen, wobei jedes der Festkörperelemente jeweils wenigstens ein NV-Zentrum aufweist. Das Verfahren weist ein Anordnen eines Testobjekts innerhalb eines Raumbereichs auf, wobei das Testobjekt die Vielzahl an mesoskopischen Festkörperelementen aufweist - also etwa mittels der mesoskopischen Festkörperelemente angefärbt ist. Außerdem weist das Verfahren ein Durchführen des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auf, wobei die jeweiligen NV-Zentren der mesoskopischen

Festkörperelemente mittels des Abrasterns der Raumabschnitte voneinander unterschieden und somit bildgebend aufgelöst werden.

Die möglichen Vorteile, Ausführungsformen oder Varianten der vorhergehenden Aspekte der Erfindung gelten entsprechend auch für das Verfahren zur Mikroskopie basierend auf einer Vielzahl an mesoskopischen Festkörperelementen.

Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft ein Mikroskop. Das Mikroskop weist einen Raumbereich zur Anordnung eines Testobjekts - wie etwa eines biologischen Materials oder eines

Werkstücks - auf. Das Mikroskop weist weiterhin eine Lichtquelle zum Bestrahlen des

Raumbereichs mit einem Anregungslicht auf, mittels welchem, wenn ein Testobjekt mit einer Vielzahl an je in einem mesoskopischen Festkörpereiement ausgebildeten NV-Zentren in dem Raumbereich angeordnet ist, eines oder mehrere der NV-Zentren der Vielzahl an NV-Zentren optisch anregbar sind. Das Mikroskop weist weiterhin eine Mikrowellenantennenanordnung zum Bestrahlen des Raumbereiches mit einer Mikrowellenstrahlung auf, deren Frequenz jener Frequenz entspricht, bei welcher ohne einem lokalen Magnetfeld eine resonante

Mikrowellenabsorption der NV-Zentren auftritt. Das Mikroskop weist weiterhin eine

Steuerungseinrichtung auf, die eingerichtet ist, Raumabschnitte des Raumbereichs abzurastern und dabei jeweils einen Raumabschnitt der Raumabschnitte auszuwählen sowie für den jeweils ausgewählten Raumabschnitt eine Magnetfeldeinrichtung derart zu steuern, dass diese ein Magnetfeld mit einem Magnetfeldverlauf über den Raumbereich erzeugt, durch welchen das Magnetfeld lokal im jeweils ausgewählten Raumabschnitt verschwindet, oder die

Mikrowellenantennenanordnung derart zu steuern, dass diese den Raumbereich mit der Mikrowellenstrahlung derart bestrahlt, dass die Mikrowellenstrahlung einen

Mikrowellenfeldverlauf aufweist und lokal im jeweils ausgewählten Raumabschnitt verschwindet. Das Mikroskop weist weiterhin eine Sensoreinrichtung auf, die eingerichtet ist, zumindest im beim Abrastern jeweils ausgewählten Raumabschnitt ein von den NV-Zentren emittiertes Emissionslicht zu erfassen. Außerdem weist das Mikroskop eine Auswerteeinrichtung auf, die eingerichtet ist, ein - insbesondere zweidimensionales oder dreidimensionales - Abbild des Testobjekts basierend auf dem Emissionslicht zu bestimmen, welches in den jeweiligen

Raumabschnitten von den NV-Zentren emittiert wird.

Die möglichen Vorteile, Ausführungsformen oder Varianten der vorhergehenden Aspekte der Erfindung gelten entsprechend auch für das Mikroskop. Dabei kann das Mikroskop etwa eingerichtet sein, ein Verfahren gemäß dem ersten oder dritten Aspekt Erfindung auszuführen.

In einigen Ausführungsformen weist das Mikroskop weiterhin die Magnetfeldeinrichtung zum Erzeugen des Magnetfelds auf, wobei eine Intensität des von den NV-Zentren emittierten Emissionslichts von der resonanten Mikrowellenabsorption und dem Magnetfeld beim jeweiligen NV-Zentrum abhängig ist. Alternativ weist in einigen Ausführungsformen das Mikroskop keine Magnetfeldeinrichtung auf, wobei eine Intensität des von den NV-Zentren emittierten

Emissionslichts zumindest von der resonante Mikrowellenabsorption, aber nicht

notwendigerweise von dem (lokalen) Magnetfeld beim jeweiligen NV-Zentrum abhängig ist. Bei solchen Ausführungsformen für NV-Zentren, deren Intensität des Emissionslichts nicht von Magnetfeld abhängt, und/oder - bei einigen Varianten - ohne Magnetfeldeinrichtung, ist die Steuerungseinrichtung eingerichtet, die Mikrowellenantennenanordnung zu steuern, etwa um beim Abrastern einen jeweiligen Raumabschnitt zu adressieren, bzw. ist die

Steuerungseinrichtung nicht zum Steuern einer Magnetfeldeinrichtung eingerichtet. Auch weisen einige Ausführungsformen eine Abschirmeinrichtung zum Abschirmen eines (externen) Magnetfelds oder zum Abschirmen von (externer) Mikrowellenstrahlung auf.

Ein fünfter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Position eines NV-Zentrums von einem mesoskopischen Festkörperelement innerhalb eines Raumbereichs, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß dem ersten, dem zweiten oder dem dritten Aspekt der Erfindung auszuführen.

Die möglichen Vorteile, Ausführungsformen oder Varianten der vorhergehenden Aspekte der Erfindung gelten entsprechend auch für die Vorrichtung zur Bestimmung einer Position eines NV-Zentrums. Auch kann das Mikroskop in einigen Varianten eingerichtet sein, ein Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt auszuführen, und so einige Varianten der Vorrichtung gemäß dem fünften Aspekt Erfindung ausbilden, wobei nicht notwendigerweise eine Vielzahl an NV-Zentren erfasst werden sondern auch ein einzelnes NV-Zentrum basierend auf einer Änderung seiner Intensität des Emissionslichts erfasst und dessen Position bestimmt werden kann.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der

nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen und/oder aus den Figuren.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren anhand vorteilhafter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Gleiche Elemente oder Bauteile der

Ausführungsbeispiele werden im Wesentlichen durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet, falls dies nicht anders beschrieben wird oder sich nicht anders aus dem Kontext ergibt.

Hierzu zeigen, teilweise schematisiert:

Fig. 1 ein Modell eines [NV] -Zentrums;

Fig. 2 ein Energiediagramm für ein NV-Zentrum;

Fig. 3 ein Mikroskop nach einer Ausführungsform;

Fig. 4 ein Raumbereich mit Raster nach einer Ausführungsform;

Fig. 5 eine Abhängigkeit einer Fluoreszenz eines [NV] -Zentrums von einer Frequenz einer Mikrowellenstrahlung nach einer Ausführungsform;

Fig. 6 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur superauflösenden Mikroskopie in drei Dimensionen basierend auf einer Vielzahl an Nanodiamanten nach einer

Ausführungsform; und Fig. 7 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur zweidimensionalen Bestimmung einer Position eines NV-Zentrums nach einer Ausführungsform.

Die Figuren sind schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsformen und/oder Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. In den Figuren dargestellte Elemente und/oder Bauteile sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen, in den Figuren dargestellten Elemente und/oder Bauteile derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und/oder ihr Zweck dem Fachmann verständlich werden.

In den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen den funktionellen

Einheiten und Elementen können auch als indirekte Verbindungen oder Kopplungen

implementiert werden. Insbesondere können Datenverbindungen drahtgebunden oder drahtlos, also insbesondere als Funkverbindungen, ausgebildet sein. Auch können bestimmte

Verbindungen, etwa elektrische Verbindungen, etwa zur Energieversorgung, der

Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sein. Weiterhin können optische Verbindungen - etwa zwischen optischen Elementen -, welche insbesondere als gerader Lichtstrahl dargestellt werden können, auch in einigen Varianten mittels einem Lichtleiter und/oder durch optische Elemente, wie Spiegel, zum Umlenken von Lichtstrahlen implementiert werden, wobei solche Verbindungen der Übersichtlichkeit halber nicht notwendigerweise dargestellt sind.

Fig. 1 veranschaulicht eine Atomstruktur eines NV-Zentrums wie etwa ein Stickstoff-Fehlstellen- Zentrums schematisch mit einem Kugel-Stab-Modell eines [NV] ^_ -Zentrums (140) ohne umliegenden Diamantgitter. Dabei sind drei Kohlenstoffatome 146 an drei Plätzen des

Diamantgitters angeordnet, während bei einem zu diesen drei Kohlenstoffatomen 146

(unmittelbar/Nächster-Nachbar) benachbarten Gitterplatz eine Fehlstelle 144 (Vakanz: V) besteht - dieser Gitterplatz also nicht besetzt ist - sowie bei einem dazu (unmittelbar/Nächster- Nachbar) benachbarten Gitterplatz anstelle eines Kohlenstoffatoms ein Stickstoffatom 142 (Stickstoff: N) angeordnet ist. Zudem sind in Fig. 1 ein Vektor für ein externes Magnetfeld 80 sowie eine Achse des NV-Zentrums 148 - bezüglich derer ein Spin eines

Mehrelektronensystems des NV-Zentrums definiert wird - dargestellt. Dabei versteht es sich, dass neben dem externen Magnetfeld 80 auch ein Magnetfeld aufgrund der magnetischen Momente der Atomkerne auf Elektronen des Mehrelektronensystems wirksam ist bzw. diese magnetischen Felder sich überlagern, wobei - sofern nicht gesondert auf diese zusätzliche magnetischen Momente verwiesen wird - im Sinne der Erfindung unter dem„dort wirksamen Magnetfeld“ jenes Magnetfeld zu verstehen ist, welches dort, also beim jeweiligen NV-Zentrums aufgrund des externen Magnetfelds auftritt.

In Fig. 2 ist ein Energiediagramm 40 für ein NV-Zentrum wie etwa einem [NV]--Zentrum nach einer derzeitigen Modellierung (vgl. etwa Rogers, L. J.; Armstrong, S.; Sellars, M. J.; Manson,

N. B. (2008). "Infrared emission of the NV centre in diamond: Zeeman and uniaxial stress studies". New Journal of Physics. 10 (10): 103024.) (vgl. etwa Doherty, Marcus W.; Manson,

Neil B.; Delaney, Paul; Jelezko, Fedor; Wrachtrup, Jörg; Hollenberg, Lloyd C. L. (2013-07-01). "The nitrogen-vacancy colour centre in diamond". Physics Reports. The nitrogen-vacancy colour centre in diamond. 528 (1): 1-45.) dargestellt. Das Mehrelektronensystem des NV-Zentrums weist einen Triplett-Grundzustand |g>, einen angeregten Triplett-Zustand |e> sowie zwei Zwischenzustände |ze> und |zg>, die energetisch zwischen dem Grundzustand |g> und dem angeregten Zustand |e> liegen, auf. Zwei der Elektronen des Mehrelektronensystems können im Triplett-Grundzustand bezüglich ihres Spins parallel oder antiparallel ausgerichtet sein, sodass das Mehrelektronensystem einen Spin +1 (m _s =+1) oder -1 (m _s =-1) bzw. einen Spin 0 (m _s =0) aufweist. Aufgrund ihrer Spin-Wechselwirkung haben die Elektronen bei Spin +1 und -1 höheres Energieniveau als bei antiparalleler Ausrichtung mit Spin 0. Zudem - in Fig. 2 nicht dargestellt - können sich die Energieniveaus für m _s =+1 und m _s =-1 voneinander etwa aufgrund einer Wechselwirkung mit den magnetischen Momenten der Atomkerne unterscheiden (vgl. Hyperfeinstruktur), wobei diese Aufspaltung, also ein Unterschied zwischen den Energieniveaus für m _s =+1 und m _s =-1 üblicherweise wesentlich kleiner ist als ein Energieunterschied zwischen die Energieniveaus für m _s =+1 / m _s =-1 gegenüber dem Energieniveau für m _s =0.

Ausgehend von Fig. 2 lässt sich ein Emittieren von Emissionslicht durch ein NV-Zentrum 140 entsprechend Fig. 1 und/oder bzgl. Energieniveaus entsprechend Fig. 2 sowie eine

Abhängigkeit eine Intensität des Emissionslichts von einer resonanten Mikrowellenabsorption und etwaig eine Magnetfeld beim NV-Zentrum wie folgt veranschaulichen. Mittels

Anregungslicht 46 mit ausreichender Energie je Photon, also etwa einem grünen Laser mit einer Wellenlänge kleiner als etwa 532 nm - wie etwa wie dargestellt mit einer Wellenlänge von 515 nm - lässt sich das [NV]- -Zentrum vom Grundzustand |g> (zunächst etwaig in vibronische Bänder und dann von dort aus) in den angeregten Zustand |e> optisch anregen, wobei der Spin des Mehrelektronensystems erhalten bleibt, also etwa bei Anregung des Grundzustands |g> mit m _s =+1 entsprechend als angeregter Zustand |e> mit m _s =+1 erreicht wird. Daraufhin kann das NV-Zentrum unter Emission eines Photons, also Emissionslicht 56 und somit Fluoreszenz, wieder zum entsprechenden Zustand des Triplett-Grundzustands - also etwa vom angeregten Zustand |e> mit m _s =+1 zum Grundzustand |g> mit m _s =+1 - gelangen; so kann etwa bei einem [NV]--Zentrum ein Photon mit 637 nm, also etwa rotes Emissionslicht 56 emittiert werden. Dieser Übergang wird auch strahlender Übergang oder optischer Übergang genannt, wobei üblicherweise das hierbei emittierte (Emission-/Fluoreszenz-) Licht optisch detektiert wird.

Neben diesem strahlenden Übergang ist auch ein weiterer Übergang über die

Zwischenzustände |ze> und |zg> möglich, wobei etwa beim Übergang von |zg> zu |ze> ein Photon mit einer größeren Wellenlänge, also etwa bei einem [NV]- -Zentrum ein Photon mit 1042 nm emittiert wird. Bei anderen Modellen wird von nur einem Zwischenzustand

ausgegangen, sodass kein entsprechendes Photon emittiert wird. Bei diesen Übergängen findet also keine Emission von Photonen oder zumindest eine Emission 58 von Photonen mit einer anderen, insbesondere mit einer größeren Wellenlänge statt, und diese Übergänge werden auch nicht-strahlende Übergänge genannt. Bei diesen nicht-strahlenden Übergängen bleibt der Spin des Mehrelektronensystems nicht notwendigerweise erhalten, wobei die Rate bzw. die Wahrscheinlichkeit für einen Übergang von einem angeregten Zustand mit m _s =+1 oder m _s =-1 des angeregten Triplett-Zustands |e> zum Zustand mit m _s =0 des Triplett-Grundzustands größer ist als die Rate bzw. die Wahrscheinlichkeit für einen Übergang vom angeregten Zustand |e> mit m _s =0 zu einem der Grundzustände mit m _s =+1 , 0 oder -1. Der weitere Übergang über die Zwischenzustände |ze> und |zg> konkurriert mit dem strahlenden Übergang. Somit emittiert ein NV-Zentrum, wenn es einen Spin m _s =0 aufweist, mehr Emissionslicht als bei einem Spin m _s =+1 oder m _s =-1 , da bei m _s =+1 oder m _s =-1 ein Übergang über die Zwischenzustände

(verhältnismäßig) häufiger stattfindet. Außerdem lässt sich bei einem NV-Zentrum durch wiederholtes Anregen die Besetzungswahrscheinlichkeit für den Grundzustand und/oder für den angeregten Zustand mit m _s =0 erhöhen, da über den weiteren Übergang wahrscheinlicher der Grundzustand |g> mit m _s =0 (und dann nach etwaig erneuter Anregung der angeregte Zustand |e> mit m _s =0) erreicht wird - dies wird auch Spinpolarisation genannt.

Durch bestimmte Maßnahmen - wie etwa Strahlung mit einer bestimmten Energie

(insbesondere je Strahlungsquantum), welche einem Energieunterschied zwischen |g> mit m _s =0 und |g> mit m _s =±1 entspricht bzw. einem Energieunterschied zwischen |e> mit m _s =0 und |e> mit m _s =±1 entspricht - lässt sich die Besetzungswahrscheinlichkeit für den Grundzustand und/oder den angeregten Zustand mit m _s =+1 oder -1 bei einem NV-Zentrum erhöhen. Bei einem [NV]-- Zentrum (ohne externes Magnetfeld) kann mittels Mikrowellenstrahlung 48 mit einer Frequenz von etwa 2870 Mhz ein Übergang vom Grundzustand |g> mit m _s =0 zu einem der

Grundzustände mit m _s =±1 resonant angeregt werden, also eine Elektronenspinresonanz erzielt werden - d.h. im Sinne der Offenbarung insbesondere eine resonante Absorption der

(Mikrowellen-) Strahlung durch das NV-Zentrum unter Übergang von |g> mit m _s =0 zu |g> mit m _s =+1 oder -1. Im weiteren Sinne kann unter einer Elektronenspinresonanz auch ein solches Anregen unter Variation des (externen) Magnetfelds und ein Messen der

magnetfeldabhängigen Absorption der Mikrowellenstrahlung verstanden werden (vgl. etwa https://de.wikipedia.org/wiki/Elektronenspinresonanz).

Durch Anlegen eines externen Magnetfelds verschieben sich bei einem NV-Zentrum, bei welchem die Intensität des Emissionslichts vom (lokalen) Magnetfeld abhängt - wie etwa dem [NV]--Zentrum die Energieniveaus des Grundzustands mit m _s =+1 und des Grundzustands mit m _s =-1 (entsprechendes gilt für die Zustände des angeregten Triplettzustands |e> mit m _s =±1). Somit wird für den Übergang von |g> mit m _s =0 zu |g> mit m _s =-1 eine andere Frequenz der Mikrowellenstrahlung benötigt als für den Übergang von |g> mit m _s =0 zu |g> mit m _s =+1.

Bei Bestrahlung eines [NV]- -Zentrums (zunächst ohne externes Magnetfeld) mit

Mikrowellenstrahlung mit einer Frequenz von etwa 2870 Mhz wird also die Wahrscheinlichkeit für die Zustände mit m _s =±1 erhöht, wodurch die Fluoreszenz, also das emittierte Emissionslicht 56 abnimmt. Durch ein externes Magnetfeld 80, welches am NV-Zentrum 140 wirkt, wird die für die Elektronenspinresonanz erforderliche Frequenz verschoben, wodurch die

Wahrscheinlichkeit für die Zustände mit m _s =±1 weniger oder nicht mehr erhöht wird und somit die Fluoreszenz nicht abnimmt bzw. wieder zunimmt.

Die Änderung der Fluoreszenz - d. h. insbesondere die Änderung der Intensität des

Emissionslichts - ist beim NV-Zentrum also abhängig von der bestimmten Maßnahme zur Erhöhung der Besetzungswahrscheinlichkeit für Zustände mit m _s =±1 - also etwa der Frequenz und der Feldstärke der eingestrahlten Mikrowellenstrahlung - sowie von dem beim NV-Zentrum wirksamen (externen) Magnetfeld. Somit lässt sich mittels einer bestimmten Maßnahme zur Erhöhung der Besetzungswahrscheinlichkeit wie etwa Mikrowellenstrahlung die Intensität des Emissionslichts ändern, wobei etwaig - bei entsprechender Abhängigkeit vom Magnetfeld - dieser bestimmten Maßnahme und somit einer Änderung der Intensität entgegengewirkt werden kann. So bewirkt eine entsprechende Mikrowellenstrahlung bei einem [NV]- -Zentrum eine Abnahme der Intensität des Emissionslichts gegenüber dem Emissionslicht ohne

Mikrowellenstrahlung (bei gleichem Anregungslicht), wobei wiederum ein einem [NV]- -Zentrum wirkendes Magnetfeld die zur resonanten Mikrowellenabsorption erforderliche Frequenz verschiebt und somit eine Abnahme der Intensität verhindert - bzw. gegenüber dem

Emissionslicht bei Mikrowellenstrahlung und gleichem Anregungslicht eine Erhöhung der Intensität des Emissionslichts bewirkt. Fig. 3 zeigt schematisch ein Mikroskop 300 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In einem Ausführungsbeispiel weist das Mikroskop 300 einen Raumbereich 320 zur Anordnung eines Testobjekts auf, wobei dieser Raumbereich in einer Fokalebene des Mikroskops liegt. In einigen Weiterbildungen ist der Raumbereich durch einen Objektträger 321 des Mikroskops 300 definiert, wobei der Objektträger 321 und das Mikroskop eingerichtet sind, ein vom Objektträger 321 getragenes Testobjekt in einer Fokalebene des Mikroskops 300 anzuordnen. Entsprechend kann in einigen Weiterbildungen das Mikroskop 300 eingerichtet sein, einen Objektträger, welcher nicht notwendigerweise Bestandteil des Mikroskops ist, derart aufzunehmen, dass ein Testobjekt in der Fokalebene liegt.

In Fig. 3 ist außerdem ein biologisches Material, insbesondere ein biologisches Gewebe, als ein Testobjekt 200 dargestellt, welches im Raumbereich 320 auf dem Objektträger 321 angeordnet, aber nicht notwendigerweise Bestandteil des Mikroskops 300 ist. Das biologische Gewebe 200 weist eine Vielzahl an biologischen Zellen 222, 224 sowie eine Vielzahl an Nanodiamanten 240 als Vielzahl an mesoskopischen Festkörperelementen auf, wobei jeder der Nanodiamanten 240 jeweils wenigstens ein Stickstoff-Fehlstellen-Zentrums140 als NV-Zentrum aufweist. Dabei kann - wie dargestellt - ein Bereich einer 224 der biologischen Zellen mittels mehrerer

Nanodiamanten 240 angefärbt sein. Dazu können - in einigen Varianten - die Nanodiamanten 240 eine funktionalisierte Oberfläche aufweisen, sodass diese an den Bereich dieser biologischen Zelle 224 binden. Entsprechend können mesoskopische Festkörperelemente - in einigen Varianten - eine funktionalisierte Oberfläche aufweisen, welche eine Bindung an andere Bereiche einer biologischen Zelle oder an ein bestimmtes Material oder eine Lösung in einem bestimmten Fluid ermöglicht. Auch kann - wie dargestellt - ein weiterer Bereich des Testobjekts einige der Nanodiamanten 240 aufweisen.

In einem Ausführungsbeispiel weist das Mikroskop 300 weiterhin eine Lichtquelle 340 zum Bestrahlen des Raumbereichs mit einem Anregungslicht 46 auf, mittels welchem eines oder mehrere der Stickstoff-Fehlstellen-Zentren 140 der Vielzahl an Stickstoff-Fehlstellen-Zentren 140 optisch anregbar sind. In einigen Varianten weist die Lichtquelle 340 einen Laser für grünes Licht, also insbesondere mit einer Wellenlänge kleiner 532 nm wie etwa mit einer Wellenlänge 515 nm auf. So ist etwa in Fig. 3 ein optisches Anregen des Stickstoff-Fehlstellen-Zentrums 140 dargestellt, welches sich in einem Raumabschnitt 324 des Raumbereichs 320 befindet, wohingegen das Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum 140 im Raumabschnitt 326 des Raumbereich 320 nicht vom Anregungslicht 46 bestrahlt und somit nicht optisch angeregt wird. Ein Vorteil des Bestrahlens nur jener Raumabschnitte, welche beim Abrastern jeweils ausgewählt sind, - und etwaig einiger umliegender Raumabschnitte - kann insbesondere darin liegen, dass sich eine Strahlendosis durch das Anregungslicht reduzieren lässt.

Das Mikroskop 300 weist weiterhin eine Mikrowellenantennenanordnung 380 zum steuerbaren Bestrahlen des Raumbereiches 320 mit einer Mikrowellenstrahlung auf, deren Frequenz jener Frequenz entspricht, bei welcher ohne einem lokalen Magnetfeld eine resonante

Mikrowellenabsorption der Stickstoff-Fehlstellen-Zentren 140 auftritt. In einigen Varianten für Nanodiamanten mit einem [NV]- -Zentrum als das Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum ist die

Mikrowellenantennenanordnung 380 eingerichtet, Mikrowellenstrahlung zwischen 2,5 GHz und 3,5 GHz und/oder mit einer Frequenz von etwa 2870 MHz auszustrahlen, wobei die jeweilige Frequenz etwa abhängig von einer Abnahme der Intensität regelbar sein kann.

Das Mikroskop 300 weist weiterhin eine Steuerungseinrichtung 360 auf, die eingerichtet ist, alle Raumabschnitte 324, 326 des Raumbereichs 320 abzurastern und dabei jeweils einen

Raumabschnitt der Raumabschnitte - etwa wie dargestellt Raumabschnitt 324 - auszuwählen sowie für den jeweils ausgewählten Raumabschnitt die Mikrowellenantennenanordnung 380 derart zu steuern, dass diese den Raumbereich 320 mit der Mikrowellenstrahlung derart bestrahlt, dass die Mikrowellenstrahlung einen Mikrowellenfeldverlauf aufweist und lokal im jeweils ausgewählten Raumabschnitt verschwindet. Dabei sind die Steuerungseinrichtung 360 und die Mikrowellenantennenanordnung 380 bezüglich einer Feldstärke Mikrowellenstrahlung derart eingestellt, dass in dem jeweiligen Raumabschnitt, in welchem Mikrowellenstrahlung verschwindet, die Intensität des Emissionslichts der dortigen NV-Zentren zumindest im

Wesentlichen der Intensität ohne Mikrowellenstrahlung entspricht - also insbesondere wenigstens 50 %, 80 % oder 90 % beträgt - und dass in den übrigen Raumabschnitten, in welchen die die Feldstärke der Mikrowellenstrahlung also endlich ist, die Intensität des

Emissionslichts gegenüber der Intensität bei verschwindender Mikrowellenstrahlung reduziert ist - also insbesondere die Intensität des Emissionslichts bei nicht-verschwindender

Mikrowellenstrahlung höchstens 95 %, 90 %, 70 % oder 10 % gegenüber der Intensität des Emissionslichts bei verschwindender Mikrowellenstrahlung beträgt.

Das Mikroskop 300 weist weiterhin eine Sensoreinrichtung 350 auf, die eingerichtet ist, ein Licht 56, 305, insbesondere in einem Spektralbereich zu erfassen, welcher dem Emissionslicht 56 entspricht, zumindest im beim Abrastern jeweils ausgewählten Raumabschnitt - also etwa wie dargestellt im Raumabschnitt 324 - zu erfassen. In einigen Varianten ist die Sensoreinrichtung 350 eingerichtet, einen Teil der Raumabschnitte 324, 326 mit dem beim Abrastern jeweils ausgewählten Raumabschnitt - etwa wie dargestellt dem Raumabschnitt 324 - bildgebend zu erfassen, und weist dazu einen Bildsensor auf. In einigen Varianten davon ist der Bildsensor für rotes Licht, insbesondere mit einer Wellenlänge von 637 nm sensitiv. Alternativ oder zusätzlich weist die Sensoreinrichtung 350 in einigen Varianten eine Fotodiode zur Detektion von Licht 56, 503 vom jeweils ausgewählten

Raumabschnitt, insbesondere mit einer hohen Sensitivität für eine Wellenlänge von 637 nm, auf.

In einigen Weiterbildungen weist das Mikroskop 300 eine Strahlungsteilereinrichtung 330 auf, die eingerichtet ist, Anregungslicht 46 von der Lichtquelle 340 in einen Strahlengang des Mikroskops 300 einzukoppeln sowie von einem der NV-Zentren 140 in den Strahlengang emittiertes Emissionslicht 56 und/oder weiteres Licht 305 vom beim Abrastern jeweils ausgewählten Raumabschnitt zu einem Strahlengangausgang des Mikroskops, bei welchem die Sensoreinrichtung 350 angeordnet ist, zu führen. In einigen Varianten ist die

Strahlungsteilereinrichtung 330 als dichroitischer Spiegel ausgebildet.

In einigen Weiterbildungen weist das Mikroskop 300 optische Elemente 316 - etwa umfassend ein objektiv 310 - im Strahlengang auf, welche eingerichtet zum Führen des Anregungslichts 46 zum Raumbereich 320 oder zu bestimmten Raumabschnitten 324, 326 davon und/oder eingerichtet zum Führen von Licht 56, 305 vom Raumbereich 320 oder von bestimmten Raumabschnitte 324, 326 davon zu einem Strahlenausgang des Mikroskops 300, bei welchem die Sensoreinrichtung 350 angeordnet ist.

Das Mikroskop 300 weist weiterhin eine Auswerteeinrichtung 390 auf, die eingerichtet ist, die Positionen der Stickstoff-Fehlstellen-Zentren 140 basierend auf dem Emissionslicht 56 zu bestimmen, welches in den jeweiligen Raumabschnitten 324, 326 von den Stickstoff- Fehlstellen-Zentren emittiert wird.

In Fig. 4 ist ein Raumbereich 320, welcher mittels eines Rasters 322 in mehrere

Raumabschnitte 324, 326 aufgeteilt ist, nach einer Ausführungsform der vorliegenden

Erfindung, insbesondere in Kombination mit dem Mikroskop bezüglich Fig. 3 oder mit dem Verfahren bezüglich Fig. 6, schematisch illustriert.

In einem Ausführungsbeispiel sind die Raumabschnitte 324, 326 jeweils Linien durch den Raumbereich 320, welche insbesondere in der Fokalebene des Mikroskops 300 liegen und sich in einer Hauptrichtung durch den Raumbereich 320 erstrecken, während diese in anderen räumlichen Richtungen eine kleinere Ausdehnung aufweisen, welche insbesondere abhängig von der gewünschten räumlichen Auflösung sein kann - also etwa in anderen Richtungen eine räumliche Ausdehnung aufweisen, die kleiner ist als 1 pm, 300 nm, 100 nm oder 5 nm. Dabei sind Linien in einigen Varianten jeweils Raumausdehnungen je um eine in der Fokalebene liegende Gerade. Außerdem weisen die Linien 324, 326 - in einigen Varianten, wie etwa in Fig. 4 dargestellt - einen gemeinsamen zentralen Punkt 328 auf und sind relativ zum Raumbereich 320, insbesondere in der Fokalebene, jeweils um einen bestimmten Schrittwinkel gedreht, wobei in einigen Varianten der Schrittwinkel jeweils zu einer vorhergehenden Linie

gleichbleibend ist. Entsprechend schneiden sich die Geraden im zentralen Punkt 328 und sind jeweils zueinander um einen bestimmten Schrittwinkel gedreht. Während die Schrittwinkel exemplarisch als 20°-Schritte illustriert sind, werden diese in einigen Varianten - abhängig von der gewünschten räumlichen Auflösung - kleiner gewählt wie etwa als 1“-Schritte, 0,1“-Schritte, 0,01“-Schritte oder 0,003°-Schritte Hierdurch lässt sich vorteilhaft der Raumbereich 320 in Raumabschnitte 324, 326 unterteilen.

Entsprechend sind in einem Ausführungsbeispiel für eine dreidimensionale Mikroskopie die Raumabschnitte 324, 326 jeweils Flächen durch den Raumbereich 320, welche sich in einer ersten und einer zweiten räumlichen Richtung durch den Raumbereich 320 erstrecken, während diese in dritten räumlichen Richtungen eine kleinere Ausdehnung aufweisen, welche insbesondere abhängig von der gewünschten räumlichen Auflösung sein kann - also etwa in der dritten räumlichen Richtung eine räumliche Ausdehnung aufweisen, die kleiner ist als 1 pm, 300 nm, 100 nm oder 5 nm. Dabei sind Flächen in einigen Varianten jeweils

Raumausdehnungen je um eine eine Fokalebene schneidende Ebene. Außerdem weisen die Flächen 324, 326 - in einigen Varianten - einen gemeinsamen zentralen Punkt 328 auf und sind relativ zum Raumbereich 320, insbesondere in der Fokalebene sowie zur Fokalebene, jeweils um einen bestimmten ersten Schrittwinkel sowie einen bestimmten zweiten Schrittwinkel gedreht, wobei in einigen Varianten der erste Schrittwinkel und/oder der zweite Schrittwinkel jeweils zu einer vorhergehenden Fläche gleichbleibend ist. In einigen Varianten können die Flächen berechnet werden durch Festlegen eines ersten Winkels für eine erste Gruppe an Flächen, wobei die Flächen der ersten Gruppe an Flächen zueinander jeweils um den bestimmten zweiten Schrittwinkel rotiert sind, und der auch iteratives Erhöhen des ersten Winkels je Iteration um den ersten Schrittwinkel sowie iteratives Bestimmen von Flächen von weiteren Gruppen an Flächen, welche jeweils den jeweiligen ersten Winkel relativ zum

Raumbereich aufweisen und jeweils um den bestimmten zweiten Schrittwinkel zueinander rotiert sind. Entsprechend schneiden sich die Ebenen im zentralen Punkt 328 und sind jeweils zueinander um den ersten und zweiten Schrittwinkel gedreht.

Weiterhin können entsprechend in einem Ausführungsbeispiel die Flächen zueinander nur um einen Schrittwinkel rotiert sein und sich in einer Geraden schneiden, welche durch einen gemeinsamen zentralen Punkt in einer Fokalebene geht. Für eine dreidimensionale Mikroskopie können mehrere Fokalebenen abgerastert werden.

Bei einigen Weiterbildungen, bei welchen der Raumbereich 320 mittels eines Rasters 322 basierend auf einem zentralen Punkt 328 - wie bezüglich Fig. 4 beschrieben - unterteilt ist, ist die Mikrowellenantennenanordnung 380 eingerichtet, steuerbar die Mikrowellenstrahlung derart zu erzeugen, dass diese jeweils in einem ausgewählten der Raumabschnitte 324, 326 verschwindet und in den übrigen Raumabschnitten eine endliche Feldstärke aufweist. Zudem ist die Sensoreinrichtung 350 eingerichtet, beim Abrastern jeweils den ausgewählten der

Raumabschnitte 324, 326 zumindest eindimensional aufgelöst, d. h. das Licht 56, 305 davon zu erfassen. Schließlich ist die Auswerteeinrichtung 390 eingerichtet, eine (etwaig

dreidimensionale) inverse Radon-Transformation auszuführen und so ein Bild des

Raumbereichs 320 aus den erfassten Raumabschnitten zu rekonstruieren.

Bei einigen Weiterbildungen ist die Mikrowellenantennenanordnung 380 eingerichtet, steuerbar die Mikrowellenstrahlung derart zu erzeugen, dass diese jeweils in einem ausgewählten der Raumabschnitte 324, 326 verschwindet und in den übrigen Raumabschnitten eine endliche Feldstärke aufweist, wobei die Mikrowellenstrahlung einen sigmoidalen Feldverlauf und/oder einen Fettverlauf mit einem Gradienten im ausgewählten der Raumabschnitte aufweist, der dort so steil ist, dass die Mikrowellenstrahlung nur in diesem ausgewählten Raumabschnitt verschwindet, während die Feldstärke in den übrigen Raumabschnitten so groß ist, dass die Emission des Emissionslichts wenigstens um einen vorbestimmten Wert reduziert wird.

Bei einigen Weiterbildungen ist die Mikrowellenantennenanordnung 380 eingerichtet, steuerbar die Mikrowellenstrahlung derart zu erzeugen, dass diese jeweils in einem ausgewählten der Raumabschnitte 324, 326 verschwindet und in den übrigen Raumabschnitten eine endliche Feldstärke aufweist, wobei für das Verschwinden im ausgewählten Raumabschnitt oder in den ausgewählten Raumabschnitten Mikrowellenstrahlung unterschiedlicher Frequenz derart überlagert wird, dass es zu Interferenzen und entsprechend einer destruktiven Überlagerung, also insbesondere Auslöschung bei dem ausgewählten Raumabschnitt/den ausgewählten Raumabschnitten kommt. Auf diese vorteilhafte Weise lassen sich große lokale Gradienten und damit insbesondere ein präzises Verschwinden in den ausgewählten Raumabschnitten erzielen und/oder eine exakte Steuerung - etwa eine Verschiebung für den jeweils auszuwählenden Raumabschnitt entlang einer Achse durch den Raumbereich - ermöglichen.

In Fig. 5 ist eine Abhängigkeit einer Fluoreszenz eines [NV] -Zentrums von einer Frequenz einer Mikrowellenstrahlung, mittels derer nach einer Ausführungsform der Erfindung

insbesondere in Kombination mit dem Mikroskop bezüglich Fig. 3 oder mit dem Verfahren bezüglich Fig. 6 oder 7 in bestimmten - d. h. insbesondere ausgewählten - Raumabschnitten eines Raumbereichs die Intensität des Emissionslichts verändert wird.

In einem Ausführungsbeispiel ist die Fluoreszenz in willkürlichen Einheiten (arb. Units, a.u.) - d. h. insbesondere eine Intensität des Emissionslichts des [NV] -Zentrums - auf der Ordinate von Fig. 5 aufgetragen und die Frequenz der Mikrowellenstrahlung auf der Abszisse. Hierbei nimmt ausgehend von einer Fluoreszenz von etwa 300 a.u. die Fluoreszenz bei einer Frequenz von etwa 2870 MHz auf etwa 265 a.u. ab. Bei diesen 2870 MHz ist also die resonante

Mikrowellenabsorption durch das [NV] -Zentrum maximal und damit die Fluoreszenz - ohne externes Magnetfeld - maximal reduziert, was etwa einer Reduktion auf 88 % entsprechen kann. Abhängig von den jeweils verwendeten NV-Zentren kann die Frequenz der (maximalen) resonanten Mikrowellenabsorption verschieden sein und als vorbestimmte Frequenz

ausgewählt werden oder - etwa innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereichs - durch eine Regelung, etwa als Teil der Steuerungseinrichtung, eingestellt werden.

Fig. 6 zeigt ein Flussdiagram eines Verfahrens 400 zur superauflösenden Mikroskopie, insbesondere in drei Dimensionen, basierend auf einer Vielzahl an Nanodiamanten, wobei das Verfahren 400 in einigen Varianten ein Verfahren 430 umfasst; die Verfahren 400, 430 je nach einer Ausführungsform der Erfindung.

In einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 400 die Verfahrensschritte 420, 460, 462, 434, 468, 438, 465 und 490 sowie die Verfahrensbedingung 410 auf. Das Verfahren 400 beginnt beim Verfahrensstart 402 und endet beim Verfahrensende 404.

Dabei kann in einigen Varianten ein Mikroskop gemäß der Erfindung, insbesondere ein bezüglich Fig. 3 beschriebenes Mikroskop verwendet werden.

Im Verfahrensschritt 420 wird ein Testobjekt innerhalb eines dreidimensionalen Raumbereichs angeordnet, wobei das Testobjekt die Vielzahl an Nanodiamanten als Vielzahl an mesoskopischen Festkörperelementen aufweist, wobei die Nanodiamanten jeweils ein

[NV] -Zentrum aufweisen.

Im Verfahrensschritt 460 wird der Raumbereich basierend auf einem Raster, wie es etwa bezüglich Fig. 4 beschrieben ist, abgerastert. Dazu werden im Verfahrensschritt 460 die Verfahrensschritte 462, 434, 468, 438 und 465 iterativ ausgeführt bis gemäß

Verfahrensbedingung 410 alle Raumabschnitte des Raumbereichs oder zumindest eine bestimmte Auswahl dieser Raumabschnitte abgerastert wurden.

Im Verfahrensschritt 462 wird ein erster bzw. bei weiteren Iterationen ein entsprechender weiterer Raumabschnitt basierend auf dem Raster aus dem Raumbereich ausgewählt. Dabei ist das Raster so gewählt, dass die einzelnen Raumabschnitte zu weiteren benachbarten

Raumabschnitten einen Abstand aufweisen, der einer Auflösung jenseits des Abbe-Limits entspricht, oder aneinander angrenzen oder überlappen und dass die einzelnen

Raumabschnitte zumindest in einer Dimension eine räumliche Ausdehnung aufweisen, die einer Auflösung jenseits des Abbe-Limits entspricht. Bei dem Raster gemäß Fig. 4 wird also der Schrittwinkel so klein gewählt, dass auch bei vom zentralen Punkt weiter entfernten Bereichen der Abstand noch kleiner als das Abbe-Limit ist. Entsprechend wird bei dem Raster bezüglich Fig. 4 für die dreidimensionale Mikroskopie der erste Schrittwinkel und der zweite Schrittwinkel so klein gewählt, dass auch bei vom zentralen Punkt weiter entfernten Bereichen des

Raumbereichs der Abstand noch kleiner als das Abbe-Limit ist und sich alle Linien bzw. Flächen in einem gemeinsamen zentralen Punkt schneiden. Auf diese vorteilhafte Weise lässt sich der dreidimensionale Raumbereich superauflösend in Raumabschnitte unterteilen. In einigen Varianten führt die Steuerungseinrichtung 360 von Fig. 3 den Verfahrensschritt 462 aus.

Im Verfahrensschritt 434 wird der jeweils ausgewählte Raumabschnitt als Teil des

Raumbereichs mit einem Anregungslicht für das [NV] -Zentrum, also etwa mit einem Licht mit einer Wellenlänge im grünen Bereich wie 515 nm bestrahlt. In einigen Varianten wird das Anregungslicht mittels der Lichtquelle 340 von Fig. 3 erzeugt und etwaig mittels optischer Elemente 316 zum Raumbereich oder zum jeweils ausgewählten Raumabschnitt geführt.

Im Verfahrensschritt 468 wird eine Mikrowellenstrahlung so erzeugt, dass diese einen

Mikrowellenverlauf aufweist und lokal im jeweils ausgewählten Raumabschnitt verschwindet sowie eine Frequenz hat, welche jener Frequenz entspricht, bei welcher eine resonante

Mikrowellenabsorption ohne lokalem Magnetfeld beim [NV] -Zentrum auftritt, also etwa 2870 MHz. In einigen Varianten erzeugt die Steuerungseinrichtung 360 ein entsprechendes Signal für die Mikrowellenstrahlung.

Im Verfahrensschritt 438 wird der Raumbereich mit dieser Mikrowellenstrahlung bestrahlt. In einigen Varianten wird der Raumbereich mittels der Mikrowellenantennenanordnung 380 von Fig. 3, insbesondere basierend auf einem entsprechenden Signal von der

Steuerungseinrichtung 360, bestrahlt, wobei insbesondere die Mikrowellenantennenanordnung 380 im Zusammenwirken mit der Steuerungseinrichtung 360 eingerichtet ist, die

Mikrowellenstrahlung so zu erzeugen und auszustrahlen, dass das Verschwinden der

Mikrowellenstrahlung auf den jeweils ausgewählten Raumabschnitt - zumindest im

Wesentlichen - begrenzt ist, wodurch sich insbesondere vorteilhaft eine Auflösung jenseits des Abbe-Limits erzielen lässt.

Im Verfahrensschritt 465 wird ein Licht im jeweils ausgewählten Raumabschnitt zumindest in einem Spektralbereich optisch erfasst, welcher einem vom [NV] -Zentrum emittierten

Emissionslicht entspricht, also etwa in einem Spektralbereich zwischen 570 nm und 700 nm, wobei in einigen Varianten eine Sensitivität für die Erfassung bei etwa 637 nm maximiert wird.

In einigen Varianten wird das Licht mittels der Sensoreinrichtung 350 von Fig. 3 bildgebend erfasst.

Bei Verfahrensbedingung 410 wird überprüft, ob eine ausreichende Anzahl an

Raumabschnitten - etwa abhängig von der gewünschten Auflösung - oder auch alle

Raumabschnitte des Raumbereichs abgerastert worden sind, und sofern dies der Fall ist— symbolisiert durch <y> -, das Verfahren 400 bei Verfahrensschritt 490 fortgesetzt. Andernfalls - symbolisiert durch <n> - wird das Verfahren 400 bei Verfahrensschritt 462 für einen weiteren Raumabschnitt, also insbesondere für einen noch nicht abgerasterten Raumabschnitt, fortgesetzt.

Im Verfahrensschritt 490 wird eine dreidimensionale inverse Radon-Transformation für das erfasste Licht von allen abgerasterten Raumabschnitten ausgeführt und so ein Bild des Raumbereichs - also insbesondere der [NV] -Zentren und des mit diesen NV-Zentren angefärbten Testobjekts - superauflösend, d. h. insbesondere mit einer Auflösung jenseits des Abbe-Limits, rekonstruiert.

Wie dargestellt kann das Verfahren 400 das Verfahren 430 umfassen, wobei das Verfahren 430 die Verfahrensschritte 460, 462, 434, 468, 438, 465, 490 und 494 sowie die Verfahrensbedingung 410 umfasst. Dabei werden im zusätzlichen Verfahrensschritt 494 aus dem rekonstruierten Bild mittels einer Mustererkennung die Positionen der Nanodiamanten bzw. [NV] -Zentren bestimmt.

In einigen Abwandlungen des Verfahrens 400 wird nicht über den ersten Schrittwinkel und den zweiten Schrittwinkel, sondern über mehrere Fokalebenen iteriert, wobei eine erste Fokalebene und dann entsprechend weitere Fokalebenen der Fokalebenen ausgewählt werden und für jede der Fokalebenen jeweils ein zweidimensionales Bild des Testobjekt durch ein entsprechendes Abrastern 460 mit (nur) einem Schrittwinkel, bei welchen die Raumabschnitte in der jeweiligen Fokalebene liegen, bestimmt wird sowie aus diesen zweidimensionalen Bildern das

dreidimensionale Bild zusammengesetzt wird.

Fig. 7 zeigt ein Flussdiagram eines Verfahrens 430 zur zweidimensionalen Bestimmung einer Position eines NV-Zentrums nach einer Ausführungsform der Erfindung.

In einem Ausführungsbeispiel entspricht das Verfahren zumindest im Wesentlichen und sofern nichts anderes beschrieben ist dem Verfahren 430 bezüglich Fig. 6, wobei entsprechend das Verfahren 430 beim Verfahrensstart 402 beginnt und beim Verfahrensende 404 endet. Auch lässt sich das Verfahren für eine Vielzahl an NV-Zentren verwenden und somit eine Vielzahl an Positionen bestimmen, etwa zur superauflösenden Mikroskopie.

In einem Ausführungsbeispiel basiert das Verfahren 430 auf einer Änderung der Intensität des Emissionslichts mittels eines Magnetfelds.

Dazu wird im Verfahrensschritt 438 der gesamte Raumbereich, welcher in einer Fokalebene liegt, mit Mikrowellenstrahlung mit geeigneter Frequenz und Feldstärke derart bestrahlt, dass die Intensität des Emissionslichts des NV-Zentrums oder mehrere NV-Zentren in verschiedenen Raumabschnitten des Raumbereichs abnimmt.

Im Verfahrensschritt 460 werden die Raumabschnitte, welche ebenfalls in der Fokalebene liegen, zweidimensional - also für (nur) einen Schrittwinkel - abgerastert, wobei die

Verfahrensschritte 462, 466 und 465 ausgeführt werden und, wenn Verfahrensbedingung 410 erfüllt ist, das Verfahren anschließend bei Verfahrensschritt 470 fortgesetzt.

Im Verfahrensschritt 466 wird ein Magnetfeld - in einigen Varianten etwa mittels einer Anti- Helmholtz-Spule oder einer Anordnung mit mehreren solcher Spulen - derart mit einem Magnetfeldverlauf erzeugt, dass das Magnetfeld lokal im jeweils ausgewählten Raumabschnitt verschwindet. Somit nimmt die Intensität in den übrigen Raumabschnitten zu, während die Intensität im ausgewählten Raumabschnitt - aufgrund der nicht-verstimmten Frequenz für die resonante Mikrowellenabsorption - reduziert bleibt.

Im Verfahrensschritt 465 wird der Raumbereich bildgebend erfasst, also insbesondere das Licht aus dem Raumbereich für einen Bereich im Spektrum, in welchem das Emissionslicht liegt, bildgebend erfasst.

Im Verfahrensschritt 470 wird ein Referenzbild bei Bestrahlung mit Mikrowellenstrahlung aber ohne Magnetfeld - Magnetfelder lassen sich insbesondere auch durch eine

Magnetfeldabschirmeinrichtung abschirmen - aufgenommen, also die (reduzierte) Intensität des Emissionslichts für das NV-Zentrum bzw. für die NV-Zentren bildgebend erfasst.

Im Verfahrensschritt 472 wird eine Änderung dieser Intensität - insbesondere aufgrund eines Nicht-Verschwindens des Magnetfelds - basierend auf dem Referenzbild bestimmt.

Im Verfahrensschritt 494 wird die Position des NV-Zentrums basierend auf der Änderung der Intensität bestimmt, wobei dazu im Verfahrensschritt 496 mittels einer Mustererkennung (unmittelbar - also insbesondere ohne vorherige Rekonstruktion eines Bildes des

Raumbereichs) basierend auf der Änderung der Intensität in den Raumabschnitten die Position des NV Zentrums bestimmt wird.

Während einige Ausführungsbeispiele bezüglich eines oder mehrerer [NV] ^_ -Zentren

beschrieben wurden, kann der Fachmann diese auch für weitere NV-Zentren anpassen. So wird etwa in einigen Abwandlungen mit einer sogenannten„hexagonal lattice site Silicon vacancy (Vsi)“ als Anregungslicht ein Licht mit einer Wellenlänge von höchstens 861 nm, also etwa ein Anregungslicht mit einer Wellenlänge von 730 nm mit einer Laserdiode erzeugt und als Licht aus dem Raumbereich bzw. aus dem jeweils ausgewählten Raumabschnitt, insbesondere also das Emissionslicht für eine Wellenlänge wenigstens im Bereich zwischen 875 nm und 890 nm erfasst sowie als Mikrowellenstrahlung eine Mikrowellenstrahlung mit einer Frequenz im Bereich von 4,5 MHz erzeugt.

Mit dem Obenstehenden ergeben sich auch die folgenden Ausführungen und/oder sind mit dem Obenstehenden beispielhaft ausgeführt. Einige der Ausführungsformen ermöglichen vorteilhaft eine dreidimensional superauflösende Mikroskopie. Ein Vorteil der superauflösenden Mikroskopie basierend auf der Vielzahl an mesoskopischen Festkörperelementen kann insbesondere darin liegen, dass die

mesoskopischen Festkörperelemente ein Testobjekt wie etwa eine biologische Zelle weniger beeinflussen als andere Fluoreszenzstoffe - etwa in Kombination mit hohen erforderlichen Lichtdosen wodurch sich die Mikroskopie verbessern und/oder vereinfachen und/oder zuverlässiger machen lässt. Auch kann ein Vorteil darin liegen, dass die Fluoreszenz der NV- Zentren der mesoskopischen Festkörperelemente mittels der Mikrowellenstrahlung und/oder mittels des Magnetfelds - bei entsprechenden Feldverläufen in drei Dimensionen - über alle drei Raumdimensionen veränderbar ist, womit sich insbesondere jeweilige der Raumabschnitte spezifisch adressieren - d. h. insbesondere abrastern - lassen, wodurch sich eine

dreidimensionale Bildgebung - also insbesondere eine dreidimensionale Rekonstruktion des Testobjekt bzw. seines Abbilds bzw. der beim Testobjekt angeordneten bzw. vom Testobjekt aufgewiesenen mesoskopischen Festkörperelemente - erzielen lässt.

Zur dreidimensional superauflösenden Mikroskopie erstreckt sich, in einigen

Ausführungsformen, der Raumbereich in drei Dimensionen, wobei der Raumbereich mit einer Auflösung jenseits eines Abbe-Limits für ein Emissionslicht, welches von dem NV-Zentrum bzw. von den NV-Zentren bei optischer Anregung durch das Anregungslicht emittierbar ist, abgerastert wird.

Bei einigen Ausführungsformen, bei welchen sich der Raumbereich in drei Dimensionen erstreckt, sind die Raumabschnitte jeweils Linien oder Flächen durch den Raumbereich, wobei das Licht wenigstens eindimensional aufgelöst entlang der jeweiligen Linie bzw. für die jeweilige Fläche erfasst wird.

Bei einigen Ausführungsformen zur dreidimensionalen, insbesondere superauflösenden, Mikroskopie, bei welchen die Raumabschnitte jeweils Linien oder Flächen sind, weisen die Linien bzw. Flächen einen gemeinsamen zentralen Punkt auf und sind jeweils relativ zum Raumbereich um einen bestimmten ersten Schrittwinkel und um einen bestimmten zweiten Schrittwinkel gedreht. Weiterhin wird das Abbild als dreidimensionales, insbesondere superauflösendes, Abbild mittels einer dreidimensionalen, inversen Radon-Transformation bestimmt. Auch wird in einigen Varianten das Licht wenigstens zweidimensional aufgelöst über die jeweilige Fläche oder zweidimensional aufgelöst über eine (gemeinsame) Projektionsebene - etwa eine Bildebene - für die Flächen erfasst. Bei einigen Ausführungsformen zur dreidimensionalen, insbesondere superauflösenden, Mikroskopie, bei welchen die Raumabschnitte jeweils Linien sind, ist der Raumbereich in mehrere Fokalebenen eines Mikroskops zum Erfassen des Lichts in den Raumabschnitten unterteilt. Dabei sind die Fokalebenen jeweils zum Raumbereich um eine bestimmte

Schrittweite versetzt. Zudem liegt je Fokalebene der Fokalebenen eine Untermenge der Linien in der jeweiligen Fokalebene, wobei die jeweiligen Linien jeweils einen jeweiligen gemeinsamen zentralen Punkt aufweisen und jeweils relativ zum Raumbereich um einen bestimmten

Schrittwinkel in der jeweiligen Fokalebene um den jeweiligen zentralen Punkt gedreht sind. Zudem ist das Mikroskop eingerichtet, das Licht wenigstens zweidimensional aufgelöst je Fokalebene und für die jeweiligen in der jeweiligen Fokalebene liegenden Linien zu erfassen. Außerdem wird je Fokalebene ein zweidimensionales Abbild für einen Teil des Testobjekts in der jeweiligen Fokalebene mittels einer inversen Radon-Transformation bestimmt und basierend auf den zweidimensionalen Abbildern das Abbild des Testobjekts als

dreidimensionales Abbild bestimmt.

Bei einigen Ausführungsformen, bei welchen sich der Raumbereich in drei Dimensionen erstreckt, ist der Raumbereich in Form eines Quaders oder umhüllt einen Quader, wobei der Quader eine Grundfläche von wenigstens 1 pm auf 1 pm, wenigstens 3 pm auf 10 pm, wenigstens 20 pm auf 100 pm oder wenigstens 200 pm auf 200 pm sowie eine Höhe von wenigstens 1 pm, wenigstens 10 pm oder wenigstens 150 pm aufweist. Bei einigen Varianten davon, bei welchen der Raumbereich in mehrere Fokalebenen unterteilt ist, erstrecken sich die Fokalebenen jeweils über die Grundfläche und sind entlang der Höhe - insbesondere abhängig von der gewünschten Auflösung - angeordnet. So kann etwa ein quaderförmiger Raumbereich mit einer Grundfläche von 3 pm auf 4 pm und einer Höhe von 10 pm unterteilt sein in 200 Fokalebenen mit jeweils einer Fläche von wenigstens 3 pm auf 4 pm, welche in Richtung der Höhe des Quaders jeweils einen Abstand von 50 nm zueinander haben.

In einigen Ausführungsformen, insbesondere zur superauflösenden Mikroskopie oder zur Bestimmung einer Position eines NV-Zentrums mit einer hohen Auflösung, insbesondere einer Superauflösung, wird der Raumbereich mit einer Auflösung jenseits eines Abbe-Limits für das Emissionslicht - d. h. insbesondere superauflösend - abgerastert. Entsprechend wird in einigen solcher Ausführungsformen eine jeweilige Raumausdehnung des Verschwindens des

Magnetfelds bzw. der Mikrowellenstrahlung zumindest in einer Dimension begrenzt auf einer Ausdehnung, welche kleiner als das Abbe-Limit ist. Auf diese vorteilhafte Weise lässt sich eine superauflösende Auflösung, also insbesondere eine Bildgebung mit einer Auflösung jenseits des Abbe-Limits erzielen oder entsprechend eine Position des NV-Zentrums mit einer

Genauigkeit jenseits des Abbe-Limits bestimmen.

In einigen Ausführungsformen, insbesondere zur zweidimensionalen Mikroskopie oder zur zweidimensionalen Bestimmung einer Position eines NV-Zentrums, ist der Raumbereich eine Fokalebene eines Mikroskops zum Erfassen des Lichts im Raumbereich und insbesondere des Lichts der Raumabschnitte des Raumbereichs. Auch sind in einigen Varianten die

Raumabschnitte jeweils Linien in der Fokalebene, wobei das Mikroskop eingerichtet ist, das Licht wenigstens eindimensional aufgelöst entlang der jeweiligen Linie oder zweidimensional in der Fokalebene zu erfassen.

Bei einigen Ausführungsformen, bei welchen die Raumabschnitte Linien sind, weisen die Linien einen gemeinsamen zentralen Punkt auf und sind jeweils relativ zum Raumbereich oder zu einer vorhergehenden/benachbarten Linie um einem bestimmten Schrittwinkel gedreht. Zudem wird für eine Bildgebung, etwa zur zweidimensionalen Mikroskopie, bei einigen solcher Ausführungsformen das Abbild als zweidimensionales Abbild des Testobjekts mittels einer inversen Radon-Transformation bestimmt. Für eine Bestimmung einer Position eines NV- Zentrums wird bei einigen solcher Ausführungsformen die Position des NV-Zentrums bzw. der NV-Zentren mittels einer inversen Radon-Transformation sowie - in einigen Varianten davon - mittels einer auf einem Ergebnis der inversen Radon-Transformation basierenden

Mustererkennung bestimmt. Alternativ wird bei einigen solcher Ausführungsformen für die Bestimmung der Position eine Mustererkennung (unmittelbar) basierend auf dem erfassten Licht in den jeweiligen Raumabschnitten durchgeführt.

In einigen Ausführungsformen umfasst das mesoskopische Festkörperelement einen

Nanodiamanten oder besteht daraus, wobei der Nanodiamant ein Stickstoff-Fehlstellen- Zentrum als das NV-Zentrum aufweist. Entsprechend umfassen in einigen Ausführungsformen die mesoskopischen Festkörperelemente der Vielzahl der mesoskopischen Festkörperelemente jeweils einen Nanodiamanten oder bestehen jeweils daraus, wobei der jeweilige Nanodiamant jeweils ein Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum als das jeweilige NV-Zentrum aufweist.

In einigen Ausführungsformen wird eine vom Magnetfeld oder der Mikrowellenstrahlung abhängige Änderung des Lichts in den jeweiligen Raumabschnitten - also insbesondere dem jeweils ausgewählten Raumabschnitt - bestimmt. Dabei wird basierend auf der jeweiligen Änderung des erfassten Lichts das Abbild rekonstruiert bzw. wird die Position des NV-Zentrums bzw. werden die Positionen der NV-Zentren bestimmt. In einigen Ausführungsformen wird zum Bestimmen der Änderung des erfassten Lichts ein Referenzbild des Lichts im Raumbereich ohne Mikrowellenstrahlung bzw. ohne Magnetfeld erfasst und die jeweilige Änderung gegenüber diesem Referenzbild bestimmt.

In einigen Ausführungsformen wird das Licht im jeweiligen Raumabschnitt bildgebend - etwa zweidimensional oder dreidimensional - erfasst.

In einigen Ausführungsformen wird nur jener Raumabschnitt mit dem Anregungslicht bestrahlt, von welchem das Licht erfasst wird.

In einigen Ausführungsformen weist die Mikrowellenstrahlung als den Mikrowellenfeldverlauf einen Gradienten über den Raumbereich auf, sodass die Mikrowellenstrahlung in allen

Raumabschnitten außer beim Abrastern dem jeweiligen Raumabschnitt derart von zumindest im Wesentlichen Null verschieden ist, dass die Mikrowellenstrahlung die resonante

Mikrowellenabsorption anregt und eine Intensität des Emissionslichts des NV-Zentrums bzw. der NV-Zentren reduziert. So kann etwa mittels eines solchen Gradienten einen

Mikrowellenfeldverlauf erzeugt werden, welcher entlang einer Geraden - etwa in einer

Fokalebene eines Mikroskops - verschwindet, und/oder ein solcher Gradient innerhalb des Raumbereichs zweidimensional oder dreidimensional gedreht werden.

In einigen Ausführungsformen weist das Magnetfeld als den Magnetfeldverlauf einen

Gradienten über den Raumbereich auf, sodass das Magnetfeld in allen Raumabschnitten außer beim Abrastern dem jeweiligen Raumabschnitt derart von zumindest im Wesentlichen Null verschieden ist, dass das Magnetfeld jene Frequenz, bei welcher die resonante

Mikrowellenabsorption beim NV-Zentrum bzw. bei den NV-Zentren auftritt, gegenüber der Frequenz der Mikrowellenstrahlung verschiebt und entsprechend ein Anregen der resonanten Mikrowellenabsorption reduziert. Entsprechend lassen sich auf diese vorteilhafte Weise

Magnetfeldverläufe erzeugen, sodass das Magnetfeld entlang einer Geraden verschwindet.

In einigen Ausführungsformen wird das Magnetfeld mit einer Anti-Helmholtz-Spule erzeugt, wobei das Verschwinden des Magnetfelds im jeweiligen Raumabschnitt anhand elektrischer Ströme durch wenigstens eine Spule und eine weitere Spule der Anti-Helmholtz-Spule gesteuert wird. In einigen Ausführungsformen ist das Testobjekt eine biologische Zelle oder weist eine solche auf - etwa ein biologisches Gewebe mit Zellen wobei in die biologische Zelle oder auf die biologische Zelle eine Vielzahl an mesoskopischen Festkörperelementen aufgebracht bzw. eingebracht wird - die biologische Zelle also etwa angefärbt wird.

In einigen Ausführungsformen weist das mesoskopische Festkörperelement eine

funktionalisierte Oberfläche auf.

In einigen Ausführungsformen wird das Licht, also insbesondere das Emissionslicht über eine vorbestimmte Zeitspanne gemittelt. Auf diese vorteilhafte Weise lässt sich - auch etwa bei Rabi-Oszillationen oder bei anderen schnellen Schwankungen der Fluoreszenz - die

Auswertung, also insbesondere das Rekonstruieren des Bildes vereinfachen und/oder ressourcen-effizienter machen.

In einigen Ausführungsformen wird das Licht, also insbesondere das Emissionslicht mit einer Zeitauflösung erfasst, welche einer Auflösung von Rabi-Oszillationen, welche durch die

Mikrowellenstrahlung verursacht werden, ermöglicht. So kann etwa das Fluoreszenzsignal proportional sein zu

[12(X)] ² /4

M )p

2 ^{+ r}

, wobei W die Rabi Frequenz, x der Ort und g die Rate ist, mit welcher das Anregungslicht die Spinpolarisation bewirkt.

Auf diese vorteilhafte Weise lässt sich die Auflösung weiter steigern.

Um die Auflösung weiter zu steigern, wird in einigen Ausführungsformen ein gepulstes

Anregungslicht, eine gepulste Mikrowellenstrahlung und/oder ein gepulstes Magnetfeld erzeugt.

Um die Auflösung weiter zu steigern und/oder ein Durchführen des Verfahrens schneller zu machen und/oder ein Erfassen eines größeren Raumbereichs zu ermöglichen, wird in einigen Ausführungsformen der Raumbereich mittels eines komplexen Mikrowellenfelds oder eines komplexen Magnetfelds, welches insbesondere gleichzeitig mehrere Raumabschnitte aufweist, in welchen das jeweilige Feld verschwindet, abgerastert.

Während Ausführungsbeispiele, Anwendungsmöglichkeiten und Anwendungsbeispiele insbesondere unter Bezugnahme auf die Figuren detailliert beschrieben wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen und Anwendungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendung und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung und/oder Anwendung von mindestens einem Ausführungsbeispiel gegeben, wobei diverse Abwandlungen, insbesondere alternative oder zusätzliche Merkmale und/oder Abwandlungen der Funktion und/oder Anordnungen der beschriebenen Bestandteile, nach Wunsch des Fachmanns vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seiner rechtlichen

Äquivalente abgewichen wird und/oder deren Schutzbereich verlassen wird.