Kisméretű kvantummágnesérzékelő új mérési lehetőségeket kínál számos alkalmazás számára

A kompakt integrált kvantummágneses műszer a gyémántban található nitrogén-üres helyeken (NV) alapul, és új alkalmazási lehetőségeket kínál a biomedicinában, anyagvizsgálatban, navigációban és geológiában. © Fraunhofer IAF / A kompakt kvantummágneses műszer a gyémántban található nitrogén-üres helyeken (NV) alapul, és új alkalmazásokat kínál a biomedicinában, anyagvizsgálatban, navigációban és geológiában. © Fraunhofer IAF

A Fraunhofer IAF bemutatja legújabb fejlesztését a kompakt integrált kvantummágnesérzékelőből. A gyémántalapú rendszer robusztusságával, magas integrációs sűrűségével és a legkorszerűbb mérési érzékenységgel jellemezhető. Kábel nélküli kalibrációs kezelésének, néhány pikotesla érzékenységének és nagy dinamikus tartományának köszönhetően új mérési lehetőségeket nyit meg számos alkalmazásban, például biomedicinában, anyagvizsgálatban, navigációban és geológiában.

A Fraunhofer Alkalmazott Szilárdtestfizikai Intézet IAF magas integrációjú vektormágnesérzékelője, amely a gyémántban található nitrogén-vakcsapdákon (NV) alapul, lehetővé teszi a legkisebb mágneses terek mérését eddig nem látott rugalmassággal és precizitással. A miniatürizált mérőrendszer teljesen új alkalmazási lehetőségeket kínál olyan esetekben, ahol a pontos mérés minimális zavarás mellett szükséges, például biokémiai mérésekben idegfonatoknál vagy mikroelektronikában.

„A gyémántalapú NV-vektormágnesérzékelő különlegessége a natív és intuitív működése, amely a legtöbb alkalmazási körülmény között képes pontosan mérni a Föld mágneses mezejének vektorkomponenseit. Ez a szenzor nemcsak technológiai innovációt jelent, hanem jelentős lépést is a szenzortechnológiában,” magyarázza Dr. Michael Stoebe, a kvantumépítőelemek üzletágvezetője a Fraunhofer IAF-nál.

A gyémánt hálózatában elhelyezkedő NV-centrum egyedülálló tulajdonságainak köszönhetően, amely a négy kristálysík mentén helyezkedik el, a <100>-as gyémánt segítségével minden vektorkomponens mérhető egyetlen szenzorkábel segítségével. Ez csökkenti a kalibrációs igényt, és új lehetőségeket nyit meg olyan alkalmazások számára, amelyek korábban a hagyományos mágnesérzékelők korlátai miatt nem voltak megvalósíthatók. Ezzel a szenzorral forradalmasítható a kutatás számos területén, és jelentős lépést jelent a pontosabb és hatékonyabb mérési technikák felé.

Az integrációs sűrűség és érzékenység növelése

A Fraunhofer IAF kutatóinak sikerült egy év alatt a beépített kvantummágnesérzékelőjük méretét 30-szor csökkenteni. A szenzorkopfa most már kompakt méretű, összehasonlítható a hagyományos és ipari felhasználású optikusan pumpált gázcellás mágnesérzékelőkkel (OPMs), miközben magas érzékenységet biztosít pikotesla tartományban. A gyémántalapú rendszer kiemelkedik a versenytárs technológiák közül magas robusztusságával és széles mérési tartományával, amely rendkívül kevés kalibrációval sokféle mérési szcenárióban alkalmazható.

„Célunk a még magasabb integrációs sűrűség elérése, miközben növeljük az érzékenységet. A következő évre tervezzük, hogy a szenzort újra ötször kisebbre csökkentjük, miközben tovább növeljük érzékenységét, lehetővé téve a subpikotesla tartománybeli méréseket,” hangsúlyozza Dr. Michael Stoebe.

A Fraunhofer IAF integrált kvantummágnesérzékelőinek különlegessége az opcionális vízhűtés, amely még nehéz körülmények között is robusztus és megbízható mágneses tér mérését teszi lehetővé. Ez a rugalmasság az építésben és az integrációban jellemzi az intézet legújabb prototípusát. „Folyamatos fejlesztéseink során alkalmazásorientáltan haladunk, és figyelembe vesszük az egyéni igényeket, amelyek a rendszerünkkel szemben támasztottak,” mondja Dr. Michael Kunzer, a projektvezető a Fraunhofer IAF-nál.

Az rendszer fejlesztése mellett párhuzamosan javítjuk a szenzor főelemét – a nitrogén-vakcsapdás gyémánt érzékelőfejet – is a Fraunhofer IAF-nál. A szintetikus gyémántot speciális reaktorokban növesztik az intézetben, és a szénatomok kontrollált cseréjével nitrogénatomokra kvantumépítőelemekké dolgozzák fel. A következő évben a szilárd gyémánt lapkák méretét a jelenlegi két inch-ről ipari méretű, négy inch-es lapokra kívánják fejleszteni.

GNSS – Biztonságos navigáció GPS nélkül

A mai navigációs rendszerek bár magas pontosságúak és lefedettek, gyakran zavarérzékenyek és nem mindenhol elérhetők. Ezért egyre nagyobb szerepet kapnak az alternatív navigációs módszerek, amelyek függetlenek a globális navigációs műholdrendszerektől (GNSS). A Föld mágneses mezeje ígéretes alapot nyújt, mivel regionális különbségeket mutat, amelyek láthatatlan térképként használhatók az önálló navigációhoz, különösen olyan területeken, ahol a GPS-jelek zavarosak vagy nehezen foghatók.

A Fraunhofer IAF által kifejlesztett kvantumszenzor lehetővé teszi összetett mágneses térképek készítését és megbízható navigációt ezen alapokra. A vektormágnesérzékelő autonóm, zavarérzékeny módszert kínál a világméretű pozicionáláshoz és navigációhoz. Kiegészíti a műholdas navigációt, és működik műholdjelek nélkül is, például víz alatt, szurdokokban, föld alatt, épületekben vagy alagutakban.

Geológiai mérések gyorsan és kontaktus nélkül

A Fraunhofer IAF kvantummágnesérzékelője lehetővé teszi az ásványkincsek föld alatti tárolóinak pontos és kontaktus nélküli lokalizálását, így hozzáférést biztosítva értékes erőforrásokhoz. Ugyanígy képes nagy felületen aknamezők felderítésére, jelentősen csökkentve a veszélyt az érintett területeken dolgozók számára. A navigációs elvhez hasonlóan a Föld kérgének összetételét és mágneses mezejét felhasználva következtetéseket lehet levonni geológiai formációkról. A mágneses anomáliák, például érckészletek vagy fémtárgyak, mint például aknák, így detektálhatók.

A begyűjtött adatok mágneses térképekké alakíthatók, amelyek megmutatják a gyanús objektumok helyét, és utalhatnak azok mélységére, alakjára és méretére. Ez a módszer lehetővé teszi az érintett területek átfogó és nem invazív feltérképezését, valamint a mélyen fekvő objektumok helyének meghatározását.