Eine häufige Anforderung für optische Messungen bei tiefen Temperaturen in der Quantenforschung ist eine hohe Sammeleffizienz der Optik bei gleichzeitig hohen Magnetfeldern von einigen Tesla. Leider ist es wie mit den Preußen und den Bayern: Wenn der eine kommt, geht der Andere auf Abstand. Für eine hohe Sammeleffizienz braucht man einen kleinen Arbeitsabstand des Objektivs. Soll also das Objektiv sehr nahe an die Probe herangeführt werden, müssen die Pole eines Elektromagneten weiter auseinander liegen, um genügend Platz für das Objektiv zu lassen, was das Feld verkleinert. Umgekehrt, wenn der Polabstand klein sein soll, um ein hohes Feld zu erreichen, muss das Objektiv auf Abstand gebracht werden, da es nicht mehr zwischen die Pole passt. Um dieses Problem bei kryogenen Anordnungen zu umgehen, war es bisher üblich, ein Objektiv in eine (supraleitende) Magnetspule einzubauen. Dieser Ansatz hat jedoch erhebliche Nachteile: Man verliert den optischen Zugang von den Seiten. Dieser wird oft für die Anregung benötigt. Außerdem muss jede zusätzliche Optik weit von der Probe entfernt sein. Das Objektiv wird ebenfalls gekühlt, so dass die Auswahl auf Tieftemperaturobjektive beschränkt ist.
Es gibt zwei gebräuchliche Konfigurationen mit Montana Instruments Kryostaten, die jeweils unterschiedliche Schwerpunkte setzen.

Geringer Arbeitsabstand auf Kosten des Feldes

Hier wird ein Raumtemperaturobjektiv im Probenraum des Kryostaten installiert. Das Objektiv wird aktiv auf Raumtemperatur gehalten. Die Form der Probenkammer ist so angelegt, dass man auf der Rückseite der Probe einen Permanentmagneten installieren kann. Dieser befindet sich außerhalb der Probenkammer und kann um 180° geschwenkt werden. So kann ein Arbeitsabstand von 1 mm mit einem Feld von ca. 200 mT erreicht werden. Die NA beträgt hier typischerweise 0.9 bei 100x Vergrößerung. Diese Anordnung ist bei der Messung von Farbzentren beliebt, da hier eine hohe NA wichtig ist, aber ein relativ kleines Feld für die Ausrichtung des Spins ausreicht.

Hohes Feld auf Kosten des Arbeitsabstandes

Eine einfache und kostengünstige Lösung ist ein Elektromagnet mit speziell geformten Polspitzen, die das Feld von der Spulenmitte zum Spulenrand verlagern. Damit kann ohne Aufwand ein Arbeitsabstand von 5 mm bei einer Feldstärke von 700 mT als schlüsselfertige Lösung erreicht werden. Als kundenspezifische Lösung sind auch Felder bis 2 T möglich, wobei sich der Arbeitsabstand wieder vergrößert.

Geringer Arbeitsabstand und hohes Feld – ohne Kompromisse

Mit dem OptiCool von Quantum Design kann beides kombiniert werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Magneten verwendet das OptiCool einen supraleitenden Split-Coil-Mag-neten. Dieser ermöglicht den optischen Zugang auch von den Seiten. Ein Raumtemperaturobjektiv befindet sich in der Probenkammer unmittelbar über der Probe. Dadurch ergibt sich die Kombination von 7 T Feld und 1 mm Arbeitsabstand. Das Objektiv für das OptiCool hat eine NA von 0,9 und eine Vergrößerung von 100x. Das OptiCool ist das erste System, das ein starkes Feld mit einer hohen NA kombiniert, ohne Kompromisse eingehen zu müssen.

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