Miniaturizovaný kvantový magnetometr nabízí nové možnosti měření pro širokou škálu použití

Kompaktní integrovaný kvantový magnetometr je založen na dusíkových vadách (NV) v diamantu a nabízí nové možnosti využití v biomedicíně, testování materiálů, navigaci a geologii. © Fraunhofer IAF / Kompaktní kvantový magnetometr je založen na dusíkových vadách (NV) v diamantu a nabízí nové aplikace v biomedicíně, testování materiálů, navigaci a geologii. © Fraunhofer IAF

Fraunhofer IAF představuje nejnovější stav svého kompaktního integrovaného kvantového magnetometru. Diamantový systém se vyznačuje svou robustností, vysokou hustotou integrace a nejnovější technologií v citlivosti měření. Díky nízké potřebě kalibrace, vysoké citlivosti několika pikoteslů a širokému dynamickému rozsahu nabízí nové možnosti měření pro širokou škálu aplikací v biomedicíně, materiálovém testování, navigaci a geologii.

Vysoce integrovaný vektorový magnetometr Fraunhoferova institutu pro aplikovanou pevnolátkovou fyziku IAF je založen na dusíkových vadách (NV) v diamantu a umožňuje přístup k nejmenším magnetickým polím s dosud nedosaženou mírou flexibility a přesnosti. Tento miniaturizovaný měřicí systém nabízí úplně nové možnosti v aplikacích, které vyžadují přesné měření při minimálním rušení, například v biochemickém měření nervových drah nebo v mikroelektronice.

„To, co je na diamantovém NV-vektorovém magnetometru zvláštní, je jeho přirozený a intuitivní způsob fungování, který za většiny podmínek umožňuje přesné měření složek vektoru zemského magnetického pole. Tímto senzorem představuje nejen technickou inovaci, ale i významný pokrok v technologii senzorů,“ vysvětluje Dr. Michael Stoebe, vedoucí oddělení kvantových prvků na Fraunhofer IAF.

Vzhledem k jedinečným vlastnostem NV-centrů v diamantové mřížce, které jsou uspořádány podél čtyř krystalových os, lze pomocí <100>-diamantu zaznamenat všechny složky vektoru magnetického pole jediným senzorem. To snižuje náklady na kalibraci a otevírá nové možnosti pro aplikace, které byly dříve omezeny omezeními běžných magnetometrů. Tento senzor revolucionalizuje výzkum v mnoha oblastech a představuje důležitý krok směrem k přesnějším a efektivnějším měřicím technikám.

Zvýšení hustoty integrace a citlivosti

Výzkumníkům z Fraunhofer IAF se podařilo během jednoho roku snížit velikost jejich integrovaného kvantového magnetometru o faktor 30. Senzorová hlava má nyní kompaktní rozměry srovnatelné s běžnými a průmyslově využívanými opticky pumpovanými magnetometry s plynovými buňkami (OPMs) při vysoké citlivosti v oblasti pikoteslů. Diamantový systém se od konkurenčních technologií odlišuje svou vysokou robustností a širokým měřicím rozsahem, který je extrémně málo kalibrační a lze jej flexibilně používat v různých měřicích scénářích.

„Usilujeme o ještě vyšší hustotu integrace a zároveň o zvýšení citlivosti. Naším cílem pro příští rok je zmenšit senzor znovu o faktor 5 a zároveň dále zvýšit citlivost, aby bylo možné provádět měření v subpikoteslové oblasti,“ zdůrazňuje Dr. Michael Stoebe.

Speciální vlastností integrovaných kvantových magnetometrů Fraunhofer IAF je volitelné vodní chlazení, které i za náročných podmínek poskytuje robustní a spolehlivé měření magnetických polí. Tato flexibilita ve stavbě a integraci charakterizuje nejnovější prototyp senzoru tohoto Freiburského institutu. „Při kontinuálním vývoji našich systémů senzorů postupujeme orientovaně na aplikace a přizpůsobujeme je individuálním požadavkům, které na naše systémy kladou,“ říká Dr. Michael Kunzer, vedoucí projektu na Fraunhofer IAF.

Kromě vývoje systému je paralelně vylepšován i klíčový prvek senzoru – jeho diamantový senzor s NV-dotáhnutým diamantem. Syntetický diamant je pěstován v institutu v speciálních reaktorech a prostřednictvím kontrolované výměny uhlíkových atomů za dusíkové jsou z něj dále vyráběny kvantové prvky. V příštím roce by měly být velikosti waferů ultraclean diamantu z aktuálních dvou palců rozšířeny na průmyslově škálovatelné čtyřpalcové wafery.

GNSS – Bezpečná navigace bez GPS

Současné navigační systémy jsou i přes vysokou přesnost a pokrytí často náchylné k rušení a nejsou dostupné všude. Proto získávají na významu alternativní navigační metody, které fungují nezávisle na globálních navigačních satelitních systémech (GNSS). Zemské magnetické pole představuje slibný základ, neboť vykazuje regionální rozdíly, které lze využít jako neviditelnou mapu pro autonomní navigaci, zejména v oblastech, kde jsou signály GPS rušeny nebo je obtížné je zachytit.

Vyvinutý kvantový senzor na Fraunhofer IAF umožňuje vytvářet podrobné mapy magnetických polí a na jejich základě poskytovat spolehlivou navigaci. Vektorový magnetometr nabízí autonomní, odolnou metodu globálního určování polohy a navigace. Doplní satelitní navigaci a funguje i bez satelitních signálů, například pod vodou, v kaňonech, pod zemí, uvnitř budov nebo v tunelech.

Rychlé a bezkontaktní geologické měření

Kvantový magnetometr Fraunhofer IAF umožňuje přesné a bezkontaktní lokalizace podzemních ložisek minerálů a tím přístup k cenným zdrojům. Stejně tak může detekovat povrchové nevybuchlé munice a výrazně tak snížit riziko pro lidi v postižených oblastech. Pomocí stejného principu jako v navigaci lze využít složení zemské kůry a její magnetické pole k odhadu geologických struktur. Magnetické anomálie, jako jsou ložiska nerostů nebo kovové předměty, například nevybuchlá munice, lze tak detekovat.

Sbíraná data lze převést do magnetických map, které zobrazují polohy podezřelých objektů a poskytují indicie o jejich hloubce, tvaru a velikosti. Tato metoda umožňuje komplexní a neinvazivní průzkum postižených oblastí i lokalizaci i hluboce uložených objektů.