Magnetometro quantistico miniaturizzato offre nuove possibilità di misurazione per una vasta gamma di applicazioni

Il magnetometro quantistico compatto integrato si basa su vacanze di azoto (NV) nel diamante e offre nuove possibilità applicative in biomedicina, test dei materiali, navigazione e geologia. © Fraunhofer IAF / Il magnetometro quantistico compatto è basato su vacanze di azoto (NV) nel diamante e offre nuove applicazioni in biomedicina, test dei materiali, navigazione e geologia. © Fraunhofer IAF

Il Fraunhofer IAF presenta lo stato più recente del suo magnetometro quantistico compatto integrato. Il sistema a base di diamante si distingue per la sua robustezza, alta densità di integrazione e sensibilità di misurazione all'avanguardia. Grazie a una gestione a basso bisogno di calibrazione, a un'alta sensibilità di alcuni picotesla e a un ampio intervallo dinamico, offre nuove possibilità di misurazione per una vasta gamma di applicazioni in biomedicina, test di materiali, navigazione e geologia.

Il magnetometro vettoriale altamente integrato dell'Istituto Fraunhofer per la fisica dello stato solido applicata IAF si basa su difetti di azoto (NV) nel diamante e consente l'accesso a campi magnetici minimi con un livello di flessibilità e precisione senza precedenti. Il sistema di misurazione miniaturizzato offre possibilità completamente nuove in applicazioni che richiedono una misurazione precisa con minimo disturbo, come nelle misurazioni biochimiche delle vie nervose o nell'elettronica micro.

«La caratteristica distintiva del magnetometro vettoriale NV a base di diamante è il suo funzionamento nativo e intuitivo, che sotto le condizioni più diverse è in grado di misurare con precisione le componenti vettoriali del campo magnetico terrestre. Con questo, il sensore rappresenta non solo un'innovazione tecnica, ma anche un progresso significativo nella tecnologia dei sensori», spiega il Dr. Michael Stoebe, responsabile del settore elementi quantistici presso l'Istituto Fraunhofer IAF.

Grazie alle proprietà uniche del centro NV nel reticolo di diamante, che si dispone lungo i quattro assi cristallini, è possibile tramite il diamante <100> rilevare tutte le componenti vettoriali del campo magnetico con un singolo chip sensore. Ciò riduce gli sforzi di calibrazione e apre nuove possibilità per applicazioni che in passato erano limitate dalle restrizioni dei magnetometri tradizionali. Con questo sensore, la ricerca in numerosi settori sarà rivoluzionata e rappresenta un passo importante verso tecniche di misurazione più precise ed efficienti.

Aumento della densità di integrazione e sensibilità

I ricercatori dell'Istituto Fraunhofer IAF sono riusciti a ridurre le dimensioni del loro magnetometro quantistico integrato di un fattore 30 in un anno. La testa del sensore ha ora una dimensione compatta paragonabile a quella dei magnetometri a celle di gas otticamente pompate (OPMs) comunemente usati in ambito industriale, mantenendo un'alta sensibilità nell'ordine dei picotesla. Il sistema a base di diamante si distingue dalle tecnologie concorrenti per la sua elevata robustezza e il suo ampio intervallo di misurazione, che può essere utilizzato con estrema flessibilità in vari scenari di misurazione, con bisogno di calibrazione minimo.

«Miriamo a un'ulteriore aumento della densità di integrazione e a un incremento della sensibilità. Il nostro obiettivo per il prossimo anno è di ridurre ancora di un fattore 5 il sensore e di aumentare ulteriormente la sensibilità, consentendo misurazioni nel sotto-picotesla», sottolinea il Dr. Michael Stoebe.

Ciò che rende speciale i magnetometri quantistici integrati dell'Istituto Fraunhofer IAF è la possibilità di raffreddamento ad acqua, che garantisce una misurazione robusta e affidabile dei campi magnetici anche in condizioni di impiego gravose. Questa flessibilità nella configurazione e nell'integrazione caratterizza l'ultimo prototipo di sensore dell'istituto di Friburgo. «Nel continuo sviluppo dei nostri sistemi di sensori, adottiamo un approccio orientato alle applicazioni e rispondiamo alle esigenze specifiche poste dai nostri sistemi», afferma il Dr. Michael Kunzer, responsabile di progetto presso l'Istituto Fraunhofer IAF.

Oltre allo sviluppo del sistema, viene migliorato parallelamente anche l'elemento centrale del sensore – la sua testa di sensore a base di diamante dotato di difetti di azoto (NV). Il diamante sintetico viene coltivato presso l'istituto in reattori speciali e lavorato tramite uno scambio controllato di atomi di carbonio con atomi di azoto per realizzare elementi quantistici. Nel prossimo anno, si prevede di passare da wafer di diamante ultrapurissimo di due pollici a wafer industriali scalabili di quattro pollici.

GNSS – Navigazione sicura senza GPS

I sistemi di navigazione odierni, nonostante l'alta precisione e copertura, sono spesso soggetti a disturbi e non disponibili ovunque. Per questo, le metodologie di navigazione alternative, che funzionano indipendentemente dai sistemi satellitari di navigazione globale (GNSS), stanno acquisendo importanza. Il campo magnetico terrestre rappresenta una base promettente, poiché presenta differenze regionali che possono essere utilizzate come una mappa invisibile per una navigazione autonoma, specialmente in aree dove i segnali GPS sono disturbati o difficili da ricevere.

Il sensore quantistico sviluppato presso l'Istituto Fraunhofer IAF permette di creare mappe dettagliate del campo magnetico e di offrire una navigazione affidabile basata su di esse. Il magnetometro vettoriale fornisce un metodo autonomo, resistente ai disturbi, per la localizzazione e la navigazione globale. Completa la navigazione satellitare e funziona anche senza segnali satellitari, ad esempio sott'acqua, in gole, sottoterra, in edifici o tunnel.

Misurazioni geologiche rapide e senza contatto

Il magnetometro quantistico dell'Istituto Fraunhofer IAF consente una localizzazione precisa e senza contatto di depositi minerari sotterranei, offrendo accesso a risorse preziose. Può anche rilevare in modo esteso ordigni inesplosi, riducendo significativamente il rischio per le persone nelle aree interessate. Utilizzando lo stesso principio della navigazione, si può analizzare la composizione della crosta terrestre e il suo campo magnetico per trarre conclusioni sulle formazioni geologiche. Anomalie magnetiche come giacimenti minerari o oggetti metallici come ordigni inesplosi possono così essere individuati.

I dati raccolti possono essere trasformati in mappe magnetiche che indicano le posizioni di oggetti sospetti e forniscono indicazioni sulla loro profondità, forma e dimensione. Questo metodo permette un'esplorazione approfondita e non invasiva delle aree interessate, anche per oggetti molto profondi.