Kvantemagnetometre til industrielle applikationer

Den 1. april 2019, Fraunhofer-Gesellschaft lancerer fyrprojektet "Quantum Magnetometry" (QMag):Freiburgs Fraunhofer institutter IAF, IPM og IWM ønsker at overføre kvantemagentometri fra universitetets forskning til industrielle applikationer. I tæt samarbejde med tre yderligere Fraunhofer -institutter (IMM, IISB og CAP), forskergruppen udvikler meget integrerede billeddannende kvantemagnetometre med højeste rumlige opløsning og følsomhed.

Fyrtårnsprojektet QMag muliggør brug af enkeltelektroner til at detektere de mindste magnetfelter. Dette gør det muligt at bruge magnetometre i industrien, for eksempel til defektanalyse af nanoelektroniske kredsløb, til påvisning af skjulte materialesprækker eller til at realisere særligt kompakte magnetiske resonansbilled -scannere (MRI). "Vores fyrtårnsprojekter sætter vigtige strategiske prioriteter for at udvikle konkrete teknologiske løsninger for Tyskland som en økonomisk placering. QMag baner vejen for et Fraunhofer -fyr inden for kvanteteknologi. Ambitionen hos de fremragende forskere, der deltager i projektet, er at markant forbedre teknologien og definere den internationalt. På denne måde kan der opnås en langsigtet overførsel af de revolutionære innovationer inden for kvantemagnetometri til industrielle applikationer ", forklarer Fraunhofer -præsident Prof. Reimund Neugebauer.

Projektet QMag løber indtil 2024 og er grundlagt med i alt € 10 millioner euro i lige store dele af Fraunhofer-Gesellschaft og forbundsstaten Baden-Württemberg. Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF, Fraunhofer Institute for Physical Measurement Techniques IPM og Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials IWM udgør kerneteamet i QMag -konsortiet. "Kombinationen af ​​projektpartnerne er en usædvanlig unik egenskab ved QMag. Dette gør Freiburg til det førende forskningssted for industrielt brugte kvantesensorer-ikke kun i Baden-Württemberg, men i hele Tyskland ", siger Dr. Nicole Hoffmeister-Kraut, Økonomiminister i Baden-Württemberg. Fraunhofer IAF er ansvarlig for den overordnede koordinering af fyrtårnsprojektet.

Fra klassisk til kvantemagnetometri

Magnetometri har to overordnede mål:måling af magnetiske felter meget præcist og i den mindste skala. Magnetometre har været brugt intensivt i lang tid - som kompasser til måling af jordens magnetfelt, til geologiske undersøgelser eller til analyse af nanostrukturerede magnetiske lag på harddiske til datalagring. Der har været adskillige gennembrud i den videnskabelige og teknologiske anvendelse af magnetfelter i løbet af de sidste årtier, alligevel har detektering af de mindste magnetfelter med den højeste rumlige opløsning ved stuetemperatur vist sig at være en stor videnskabelig udfordring.

Til dato, eksisterende magnetiske sensorer er begrænset anvendelige til industrielle applikationer på grund af deres høje omkostninger og den nødvendige tekniske indsats, såsom afkøling. Især til billeddannelse af felter skabt af kun få elektroner i bevægelse, eksisterende magnetometre er ikke følsomme nok ved stuetemperatur og besidder ikke den nødvendige rumlige opløsning.

To komplementære systemer til at tackle udfordringerne

QMag -konsortiet har sat sig det mål at bringe kvantemagnetometri fra laboratorium til anvendelse og gøre det brugbart i industrien. For at gøre det, Fraunhofer Institutes vil udvikle to komplementære magentometre, som er i stand til at måle de mindste magnetfelter og strømme med den højeste rumlige opløsning, henholdsvis højeste magnetiske følsomhed, ved stuetemperatur.

Mere specifikt, projektpartnerne sigter mod at demonstrere og teste to systemer, som er baseret på det samme fysiske måleprincip og metode, men som er målrettet forskellige applikationer:På den ene side, et magnetometer med scanningssonde baseret på NV -centre i diamant vil muliggøre højeste præcisionsmålinger af nanoelektroniske kredsløb. På den anden side, målesystemer baseret på meget følsomme optisk pumpede magnetometre ("OPM'er") til applikationer inden for materialeundersøgelse og procesanalyse vil blive realiseret.

Nanoskaleret magnetometri baseret på NV -centre

Et magnetometer med scanningssonde er i stand til at måle magnetiske felter med den højeste rumlige opløsning ved stuetemperatur. Magnetometeret består af enkelt atomkombinationskomplekser i diamantkrystaller, der fungerer som den mindst mulige magnet. Et kvælstofrum ("NV -center") i diamant spiller den centrale rolle. Et NV -center udvikler sig, når to nabocarbonatomer fjernes, og et erstattes med et nitrogenatom. Den resulterende ledige plads optages derefter af nitrogenelementets reserveelektron. Denne elektron har et magnetisk momentum, hvilken, efter at have været orienteret, kan bruges som en magnet til det magnetfelt, der skal måles. Inden for Qmag, et NV -center placeres i den nanoskalerede spids af et diamantmålehoved. Når denne sensortip flyttes hen over en prøve i et scanningsprobesmikroskop, lokale magnetiske felter kan måles med ekstremt høj rumlig opløsning. På denne måde kan elfordelingen i nanoelektroniske kredsløb synliggøres, i betragtning af at selv den mindste elektroniske strøm producerer et magnetfelt, der kan visualiseres ved hjælp af kvantemagnetometeret.

"Vores mål er at udvikle kvantemagnetometre med usædvanlige sensoriske egenskaber, kompakthed og funktionsmåde, som tillader innovative industrielle applikationer, og yderligere forenkle udviklingen af ​​komplekse elektroniske systemer i fremtiden ", siger Dr. Dr. Oliver Ambacher, projektleder og direktør for Fraunhofer IAF.

OPM'er til kemisk analyse og materialetest

Det andet sensorsystem i QMag bruger magnetfeltafhængigheden af ​​elektroniske overgange i alkali -atomer:optisk pumpede magnetometre ("OPM'er") er en kategori af sensorer, der bruges til at måle ekstremt svage magnetfelter. Ligesom NV centrerer, OPM kræver ikke ekstrem køling og er derfor kvalificeret til industriel brug. Fokus for det videnskabelige arbejde i QMag ligger på udviklingen af ​​komplette målesystemer baseret på eksisterende magnetometerprototyper.

I OPM'er fremstilles alkali -atomer i gasfasen ved hjælp af en cirkulær polariseret laserstråle, så alle deres magnetiske øjeblikke har samme orientering. Inde i de målte magnetfelter oplever de magnetiske øjeblikke en synkron præcession, der kan måles via absorption af en laserstråle med tilstrækkelig bølgelængde. Målingen kan udføres med en så høj præcision, at selv magnetfelter i femto-Tesla-området kan påvises-hvilket er omtrent på størrelse med magnetfelter, som vores hjernebølger producerer, mens vi tænker. På grund af deres følsomhed, OPM'er kan bruges som detektorer for kernemagnetiske resonanssignaler ("NMR"). "I QMag, vi udvikler komplette målesystemer baseret på eksisterende single sensor prototyper, som åbner op for innovative applikationsscenarier, især inden for lavfelt-NMR til kemisk analyse og materialetest ", forklarer prof. Dr. Karsten Buse, direktør for Fraunhofer IPM.

Desuden, konsortiet vil realisere demonstranter til vigtige applikationer til materialemekanik. Magnetisk detektering af mekaniske mikrosprækker er et yderst følsomt værktøj til materialekarakterisering og komponenttest og derfor et meget relevant anvendelsesområde. "Den høje følsomhed for OPM-sensorer ved lave frekvenser og stuetemperatur åbner for helt nye anvendelsesmuligheder for materialetest. Mikroskopiske materialefejl kan måles ikke-destruktivt på grundlag af deres magnetiske vildfarssignaler", fremhæver prof. dr. Peter Gumbsch, direktør for Fraunhofer IWM.

Ved siden af ​​kerneteamet, tre yderligere Fraunhofer -institutter bidrager med deres videnskabelige og teknologiske kompetencer til udvikling af kvante -teknologiske nøglekomponenter. Konsortiet afsluttes af den akademiske ekspertise fra prof. Dr. Jörg Wrachtrup (universitet i Stuttgart) inden for diamantbaseret kvanteteknologi og af prof. Dr. Svenja Knappe (universitetet i Freiburg i samarbejde med universitetet i Colorado Boulder) inden for atomgasmagnetometri.