Miniaturisiertes Quantenmagnetometer bietet neue Messmöglichkeiten für eine Vielzahl an Anwendungen

Das kompakt integrierte Quantenmagnetometer basiert auf Stickstoff-Fehlstellen (NV) in Diamant und bietet neue Anwendungsmöglichkeiten in der Biomedizin, Materialprüfung, Navigation und Geologie. © Fraunhofer IAF / The compact quantum magnetometer is based on nitrogen vacancies (NV) in diamond and offers new applications in biomedicine, materials testing, navigation and geology. © Fraunhofer IAF

Das Fraunhofer IAF stellt den neuesten Stand seines kompakt integrierten Quantenmagnetometers. Das diamantbasierte System zeichnet sich durch seine Robustheit, hohe Integrationsdichte und Messsensitivität auf dem neuesten Stand der Technik aus. Dank kalibrationsarmer Handhabung, einer hohen Sensitivität von einigen Pikotesla und einem hohen dynamischen Bereich, bietet es neue Messmöglichkeiten für eine Vielzahl an Anwendungen in der Biomedizin, Materialprüfung, Navigation und Geologie.

Das hochintegrierte Vektormagnetometer des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF basiert auf Stickstoff-Fehlstellen (NV) in Diamant und ermöglicht den Zugang zu kleinsten Magnetfeldern mit einem bisher unerreichten Maß an Flexibilität und Präzision. Das miniaturisierte Messsystem bietet völlig neue Anwendungsmöglichkeiten in Anwendungen, die eine exakte Messung bei minimaler Störung erfordern, wie etwa in biochemischen Messungen von Nervenbahnen oder in der Mikroelektronik.

»Das Besondere am diamantbasierten NV-Vektormagnetometer ist die native und intuitive Funktionsweise, die unter den meisten Einsatzbedingungen die Fähigkeit besitzt, die Vektorkomponenten des Erdmagnetfelds präzise zu messen. Damit stellt der Sensor nicht nur eine technische Innovation dar, sondern auch einen bedeutenden Fortschritt in der Sensortechnologie«, erläutert Dr. Michael Stoebe, Geschäftsfeldleiter Quantenbauelemente am Fraunhofer IAF.

Dank der einzigartigen Eigenschaften des NV-Zentrums im Diamantgitter, das sich entlang der vier Kristallachsen anordnet, können mittels <100>-Diamant alle Vektorkomponenten des Magnetfelds mit einem einzigen Sensorchip erfasst werden. Dies reduziert den Aufwand für die Kalibrierung und eröffnet neue Möglichkeiten für Anwendungen, die zuvor durch die Einschränkungen herkömmlicher Magnetometer limitiert waren. Mit diesem Sensor wird die Forschung in zahlreichen Bereichen revolutioniert und stellt einen bedeutenden Schritt in Richtung präziserer und effizienterer Messtechniken dar.

Steigerung der Integrationsdichte und Sensitivität

Den Forschenden des Fraunhofer IAF ist es gelungen die Größe ihres integrierten Quantenmagnetometers in einem Jahr um den Faktor 30 zu verringern. Der Sensorkopf hat nun eine kompakte Größe vergleichbar zu herkömmlichen und industriell genutzten optisch gepumpten Gaszellen-Magnetometern (OPMs) bei einer hohen Sensitivität im Pikotesla-Bereich. Dabei hebt sich das diamantbasierte System von Konkurrenztechnologien durch seine hohe Robustheit und seinen breiten Messbereich ab, der sich extrem kalibrationsarm in verschiedensten Messszenarien flexibel einsetzen lässt.

„Wir streben eine noch höhere Integrationsdichte an und das bei einer steigenden Sensitivität. Unser Ziel für das kommende Jahr ist es den Sensor erneut um den Faktor 5 zu verkleinern und dabei die Sensitivität weiter zu steigern, damit Messungen im Subpikotesla-Bereich ermöglicht werden“, betont Dr. Michael Stoebe.

Das besondere an den integrierten Quantenmagnetometern des Fraunhofer IAF ist die optionale Wasserkühlung, die selbst unter schweren Einsatzbedingungen eine robuste und zuverlässige Messung von Magnetfeldern bietet. Diese Flexibilität im Aufbau und der Integration, zeichnet den jüngsten Sensorprototypen des Freiburger Instituts aus. »Bei der konstanten Weiterentwicklung unserer Sensorsysteme gehen wir anwendungsorientiert vor und gehen auf die individuellen Ansprüche ein, die an unsere Systeme gestellt werden,« sagt Dr. Michael Kunzer, Projektleiter am Fraunhofer IAF.

Neben der Weiterentwicklung des Systems wird parallel auch das Kernelement des Sensors – sein Stickstoff-Fehlstellen (NV) dotierter Diamantsensorkopf – am Fraunhofer IAF verbessert. Der synthetische Diamant wird am Institut in speziellen Reaktoren gewachsen und durch den kontrollierten Austausch von Kohlenstoffatomen mit Stickstoffatomen zu Quantenbauelementen weiterverarbeitet. Dabei sollen die Wafergrößen des ultrareinen Diamants im nächsten Jahr von aktuell zwei Zoll auf industriell skalierbare vier Zoll Wafer weiterentwickelt werden.

GNSS – Sichere Navigation ohne GPS

Heutige Navigationssysteme sind trotz hoher Präzision und Abdeckung oft störanfällig und nicht überall verfügbar. Daher gewinnen alternative Navigationsmethoden, die unabhängig von globalen Navigationssatellitensystemen (GNSS) funktionieren, an Bedeutung. Das Erdmagnetfeld stellt eine vielversprechende Grundlage dar, da es regionale Unterschiede aufweist, die als unsichtbare Landkarte für eine autarke Navigation genutzt werden können, insbesondere in Bereichen, in denen GPS-Signale gestört oder schwer zu empfangen sind.

Der am Fraunhofer IAF entwickelte Quantensensor ermöglicht es, umfassende Magnetfeldkarten zu erstellen und darauf basierende zuverlässige Navigation zu bieten. Das Vektormagnetometer bietet eine autonome, störungssichere Methode zur weltweiten Positionierung und Navigation. Es ergänzt die satellitengestützte Navigation und funktioniert auch ohne Satellitensignale, beispielsweise unter Wasser, in Schluchten, unterirdisch, in Gebäuden oder Tunneln.

Geologische Messungen schnell und kontaktfrei

Das Quantenmagnetometer des Fraunhofer IAF ermöglicht eine präzise und kontaktfreie Lokalisierung unterirdischer Mineraldepots und damit den Zugang zu wertvollen Ressourcen. Ebenso kann es großflächig Blindgänger aufspüren und das Risiko für Menschen in betroffenen Gebieten erheblich reduzieren. Mit dem gleichen Prinzip wie in der Navigation kann die Zusammensetzung der Erdkruste und dessen Magnetfeld genutzt werden, um Rückschlüsse auf geologische Formationen zu ermöglichen. Magnetische Anomalien wie Erzlagerstätten oder metallische Objekte wie Blindgänger lassen sich so detektieren.

Die gesammelten Daten können in magnetische Karten umgewandelt werden, die die Standorte verdächtiger Objekte anzeigen und Hinweise auf deren Tiefe, Form und Größe geben. Diese Methode ermöglicht eine umfassende und nicht-invasive Erkundung betroffener Gebiete sowie die Ortung selbst tief liegender Objekte.