Miniaturisiertes kwantummagnetometer biedt nieuwe meetmogelijkheden voor een breed scala aan toepassingen

Het compacte geïntegreerde kwantummagnetometer is gebaseerd op stikstof-ontheffingen (NV) in diamant en biedt nieuwe toepassingsmogelijkheden in de biomedische wetenschap, materiaalanalyse, navigatie en geologie. © Fraunhofer IAF / Het compacte kwantummagnetometer is gebaseerd op stikstof-ontheffingen (NV) in diamant en biedt nieuwe toepassingen in de biomedische wetenschap, materiaalanalyse, navigatie en geologie. © Fraunhofer IAF

Het Fraunhofer IAF presenteert de nieuwste stand van zijn compacte geïntegreerde kwantummagnetometer. Het diamantgebaseerde systeem onderscheidt zich door zijn robuustheid, hoge integratiedichtheid en meetgevoeligheid op de nieuwste technologische stand. Dankzij kalibratiearme bediening, een hoge gevoeligheid van enkele pikotesla en een breed dynamisch bereik biedt het nieuwe meetmogelijkheden voor een breed scala aan toepassingen in de biomedische sector, materiaalkunde, navigatie en geologie.

Het hooggeïntegreerde vectormagnetometer van het Fraunhofer-Instituut voor Toegepaste Vastestoffysica IAF is gebaseerd op stikstof-gebreksplaatsen (NV) in diamant en maakt toegang mogelijk tot uiterst kleine magnetische velden met een ongeëvenaarde mate van flexibiliteit en precisie. Het geminiaturiseerde meetsysteem biedt geheel nieuwe toepassingsmogelijkheden in toepassingen die een exacte meting bij minimale verstoring vereisen, zoals biochemische metingen van zenuwbanen of in de micro-elektronica.

»Het bijzondere aan het diamantgebaseerde NV-vectormagnetometer is de native en intuïtieve werking, die onder de meeste inzetomstandigheden de mogelijkheid heeft om de vectorkomponenten van het aardmagnetisch veld nauwkeurig te meten. Daarmee is de sensor niet alleen een technologische innovatie, maar ook een belangrijke vooruitgang in de sensortechnologie«, legt Dr. Michael Stoebe uit, hoofd van het vakgebied Kwantumcomponenten bij het Fraunhofer IAF.

Dankzij de unieke eigenschappen van het NV-centrum in het diamantrooster, dat zich langs de vier kristalassen bevindt, kunnen met <100>-diamant alle vectorkomponenten van het magnetisch veld worden vastgelegd met slechts één sensorschip. Dit vermindert de kalibratie-inspanningen en opent nieuwe mogelijkheden voor toepassingen die voorheen beperkt waren door de beperkingen van conventionele magnetometers. Met deze sensor wordt het onderzoek in talrijke gebieden revolutionair en vormt een belangrijke stap richting nauwkeurigere en efficiëntere meetsystemen.

Verhoging van de integratiedichtheid en gevoeligheid

De onderzoekers van het Fraunhofer IAF zijn erin geslaagd de grootte van hun geïntegreerde kwantummagnetometer binnen een jaar met een factor 30 te verkleinen. De sensorschoen heeft nu een compacte afmeting vergelijkbaar met conventionele en industrieel gebruikte optisch gepompte gascelmagnetometers (OPMs) met een hoge gevoeligheid in het pikoteslabereik. Daarbij onderscheidt het diamantgebaseerde systeem zich van concurrerende technologieën door zijn hoge robuustheid en brede meetbereik, dat zich uiterst kalibratiearm flexibel inzet in diverse meetscenario's.

„We streven naar een nog hogere integratiedichtheid en dat met een toenemende gevoeligheid. Ons doel voor het komende jaar is om de sensor opnieuw met een factor 5 te verkleinen en tegelijkertijd de gevoeligheid verder te verhogen, zodat metingen onder de sub-pikoteslabereik mogelijk worden“, benadrukt Dr. Michael Stoebe.

Het bijzondere aan de geïntegreerde kwantummagnetometers van het Fraunhofer IAF is de optionele waterkoeling, die zelfs onder zware inzetomstandigheden een robuuste en betrouwbare meting van magnetische velden biedt. Deze flexibiliteit in opbouw en integratie kenmerkt de nieuwste prototype van het Freiburger instituut. »Bij de voortdurende ontwikkeling van onze sensorsystemen gaan we toepassinggericht te werk en stemmen we af op de individuele eisen die aan onze systemen worden gesteld«, zegt Dr. Michael Kunzer, projectleider bij het Fraunhofer IAF.

Naast de verdere ontwikkeling van het systeem wordt ook het kernonderdeel van de sensor – de in stikstof-gebreksplaatsen gedoteerde diamantsensor, de NV-gevoede diamant – parallel verbeterd bij het Fraunhofer IAF. Het synthetische diamant wordt in speciale reactoren aan het instituut gekweekt en door gecontroleerde uitwisseling van koolstofatomen met stikstofatomen verder verwerkt tot kwantumcomponenten. Daarbij wordt de wafergrootte van het ultrareine diamant in het komende jaar ontwikkeld van momenteel twee inch naar industrieel schaalbare vier inch wafers.

GNSS – Veilige navigatie zonder GPS

Huidige navigatiesystemen zijn ondanks hoge precisie en dekking vaak storingsgevoelig en niet overal beschikbaar. Daarom winnen alternatieve navigatiemethoden die onafhankelijk zijn van wereldwijde navigatiesatellietsystemen (GNSS) aan belang. Het aardmagnetisch veld vormt een veelbelovende basis, omdat het regionale verschillen vertoont die als een onzichtbare landkaart kunnen worden gebruikt voor autonome navigatie, vooral in gebieden waar GPS-signalen worden verstoord of moeilijk te ontvangen zijn.

De bij het Fraunhofer IAF ontwikkelde kwantumsensor maakt het mogelijk om uitgebreide magnetische veldkaarten te maken en daarop gebaseerde betrouwbare navigatie te bieden. Het vectormagnetometer biedt een autonome, storingsbestendige methode voor wereldwijde positionering en navigatie. Het vult de satellietgestuurde navigatie aan en werkt ook zonder satellietsignalen, bijvoorbeeld onder water, in kloven, ondergronds, in gebouwen of tunnels.

Snelle en contactloze geologische metingen

Het kwantummagnetometer van het Fraunhofer IAF maakt nauwkeurige en contactloze lokalisatie van ondergrondse mineralendepots mogelijk en biedt daarmee toegang tot waardevolle hulpbronnen. Eveneens kan het oppervlakkig niet-ontplofte explosieven opsporen en het risico voor mensen in getroffen gebieden aanzienlijk verminderen. Met hetzelfde principe als in navigatie kan de samenstelling van de aardkorst en het magnetisch veld worden gebruikt om conclusies te trekken over geologische formaties. Magnetische anomalieën zoals ertslagerplaatsen of metallische objecten zoals niet-ontplofte explosieven kunnen zo worden gedetecteerd.

De verzamelde gegevens kunnen worden omgezet in magnetische kaarten die de locaties van verdachte objecten aangeven en aanwijzingen geven over hun diepte, vorm en grootte. Deze methode maakt een uitgebreide en niet-invasieve verkenning van getroffen gebieden mogelijk, evenals het opsporen van zelf dieper gelegen objecten.