Magnetómetro cuántico miniaturizado ofrece nuevas posibilidades de medición para una variedad de aplicaciones

El magnetómetro cuántico compacto, basado en vacantes de nitrógeno (NV) en diamante, ofrece nuevas posibilidades de aplicación en biomedicina, pruebas de materiales, navegación y geología. © Fraunhofer IAF / El magnetómetro cuántico compacto está basado en vacantes de nitrógeno (NV) en diamante y ofrece nuevas aplicaciones en biomedicina, pruebas de materiales, navegación y geología. © Fraunhofer IAF

El Fraunhofer IAF presenta el estado más reciente de su magnetómetro cuántico compacto e integrado. El sistema basado en diamante se caracteriza por su robustez, alta densidad de integración y sensibilidad de medición de última generación. Gracias a su manejo con poca calibración, una sensibilidad elevada de algunos picoteslas y un amplio rango dinámico, ofrece nuevas posibilidades de medición para una variedad de aplicaciones en biomedicina, pruebas de materiales, navegación y geología.

El magnetómetro vectorial altamente integrado del Instituto Fraunhofer para la Física del Estado Sólido Aplicada IAF se basa en defectos de nitrógeno (NV) en diamante y permite acceder a campos magnéticos muy pequeños con un nivel de flexibilidad y precisión sin precedentes. El sistema de medición miniaturizado ofrece posibilidades completamente nuevas en aplicaciones que requieren mediciones precisas con mínima interferencia, como en mediciones bioquímicas de nervios o en microelectrónica.

»Lo especial del magnetómetro vectorial basado en diamante NV es su funcionamiento nativo e intuitivo, que en la mayoría de las condiciones de uso tiene la capacidad de medir con precisión los componentes vectoriales del campo magnético terrestre. De este modo, el sensor no solo representa una innovación técnica, sino también un avance importante en la tecnología de sensores«, explica el Dr. Michael Stoebe, jefe de campo de elementos cuánticos en el Fraunhofer IAF.

Gracias a las propiedades únicas del centro NV en la red de diamante, que se dispone a lo largo de los cuatro ejes cristalinos, mediante diamantes <100> se pueden captar todos los componentes vectoriales del campo magnético con un solo chip sensor. Esto reduce el esfuerzo de calibración y abre nuevas posibilidades para aplicaciones que anteriormente estaban limitadas por las restricciones de los magnetómetros tradicionales. Con este sensor, la investigación en numerosos campos será revolucionada y representa un paso importante hacia técnicas de medición más precisas y eficientes.

Aumento de la densidad de integración y sensibilidad

Los investigadores del Fraunhofer IAF lograron reducir el tamaño de su magnetómetro cuántico integrado en un año en un factor 30. La cabeza del sensor ahora tiene un tamaño compacto comparable al de los magnetómetros de células de gas ópticamente bombeadas (OPMs) utilizados en la industria, con una sensibilidad elevada en el rango de picoteslas. El sistema basado en diamante se distingue de las tecnologías competidoras por su alta robustez y su amplio rango de medición, que puede emplearse de manera flexible en diversos escenarios de medición con muy poca calibración.

«Buscamos una densidad de integración aún mayor y, al mismo tiempo, una sensibilidad en aumento. Nuestro objetivo para el próximo año es reducir nuevamente el tamaño del sensor en un factor 5 y aumentar su sensibilidad, permitiendo mediciones en el rango de subpicoteslas», enfatiza el Dr. Michael Stoebe.

Lo especial de los magnetómetros cuánticos integrados del Fraunhofer IAF es la opción de enfriamiento por agua, que ofrece mediciones robustas y confiables de campos magnéticos incluso en condiciones de uso severas. Esta flexibilidad en la construcción y la integración caracteriza al prototipo más reciente del instituto de Friburgo. »En el desarrollo continuo de nuestros sistemas de sensores, seguimos un enfoque orientado a la aplicación y atendemos las demandas individuales que se plantean a nuestros sistemas«, dice el Dr. Michael Kunzer, director de proyecto en el Fraunhofer IAF.

Además del desarrollo del sistema, también se mejora paralelamente el elemento central del sensor: su cabeza de sensor de diamante dopado con defectos de nitrógeno (NV). El diamante sintético se cultiva en el instituto en reactores especiales y se procesa mediante un intercambio controlado de átomos de carbono por átomos de nitrógeno para crear elementos cuánticos. En el próximo año, se pretende ampliar el tamaño de los obleas de diamante ultralimpio, actualmente de dos pulgadas, a obleas industriales escalables de cuatro pulgadas.

GNSS – Navegación segura sin GPS

Los sistemas de navegación actuales, a pesar de su alta precisión y cobertura, son a menudo susceptibles a interferencias y no están disponibles en todas partes. Por ello, las metodologías de navegación alternativas, que funcionan independientemente de los sistemas globales de satélites de navegación (GNSS), están ganando importancia. El campo magnético terrestre ofrece una base prometedora, ya que presenta diferencias regionales que pueden usarse como un mapa invisible para una navegación autónoma, especialmente en áreas donde las señales GPS están perturbadas o son difíciles de recibir.

El sensor cuántico desarrollado en el Fraunhofer IAF permite crear mapas detallados del campo magnético y ofrecer una navegación confiable basada en ellos. El magnetómetro vectorial proporciona un método autónomo, resistente a interferencias, para la localización y navegación global. Complementa la navegación basada en satélites y también funciona sin señales satelitales, por ejemplo, bajo el agua, en cañones, subterráneamente, en edificios o túneles.

Mediciones geológicas rápidas y sin contacto

El magnetómetro cuántico del Fraunhofer IAF permite una localización precisa y sin contacto de depósitos minerales subterráneos, facilitando el acceso a recursos valiosos. También puede detectar de manera superficial objetos no explotados y reducir significativamente el riesgo para las personas en áreas afectadas. Utilizando el mismo principio que en la navegación, se puede analizar la composición de la corteza terrestre y su campo magnético para obtener conclusiones sobre formaciones geológicas. Anomalías magnéticas como yacimientos minerales o objetos metálicos, como municiones sin explotar, pueden detectarse de esta forma.

Los datos recopilados pueden convertirse en mapas magnéticos que muestran las ubicaciones de objetos sospechosos y ofrecen indicios sobre su profundidad, forma y tamaño. Este método permite una exploración completa y no invasiva de las áreas afectadas, así como la localización de objetos enterrados en profundidades considerables.