Miniaturisiertes Quantenmagnetometer bietet neue Messmöglichkeiten für eine Vielzahl an Anwendungen

Kompaktowy zintegrowany magnetometr kwantowy opiera się na defektach azotowych (NV) w diamencie i oferuje nowe możliwości zastosowań w biomedycynie, badaniach materiałów, nawigacji i geologii. © Fraunhofer IAF / Kompaktowy magnetometr kwantowy oparty jest na defektach azotowych (NV) w diamencie i oferuje nowe zastosowania w biomedycynie, badaniach materiałów, nawigacji i geologii. © Fraunhofer IAF

Fraunhofer IAF przedstawia najnowszy stan swojego kompaktowego zintegrowanego magnetometru kwantowego. System oparty na diamencie wyróżnia się swoją wytrzymałością, wysoką gęstością integracji i najnowocześniejszą czułością pomiarową. Dzięki małemu zapotrzebowaniu na kalibrację, wysokiej czułości na poziomie kilku pikotesli i dużemu zakresowi dynamicznemu, oferuje nowe możliwości pomiarowe dla szerokiego zakresu zastosowań w biomedycynie, testowaniu materiałów, nawigacji i geologii.

Wysoce zintegrowany wektorowy magnetometr instytutu Fraunhofer dla fizyki ciała stałego IAF oparty jest na defektach azotu (NV) w diamencie i umożliwia dostęp do najdrobniejszych pól magnetycznych z niespotykaną dotąd elastycznością i precyzją. Zminiaturyzowany system pomiarowy otwiera zupełnie nowe możliwości w zastosowaniach, które wymagają precyzyjnych pomiarów przy minimalnym zakłóceniu, takich jak pomiary biochemiczne nerwów czy mikroelektronika.

„Co wyróżnia magnetometr wektorowy oparty na diamencie z defektami NV, to jego natywna i intuicyjna obsługa, która w większości warunków użytkowania potrafi precyzyjnie mierzyć składniki wektorowe pola magnetycznego Ziemi. Dzięki temu sensor jest nie tylko innowacją techniczną, ale także znaczącym krokiem naprzód w technologii czujników”, wyjaśnia dr Michael Stoebe, kierownik działu elementów kwantowych w Fraunhofer IAF.

Ze względu na unikalne właściwości centrum NV w sieci diamantu, które układa się wzdłuż czterech osi krystalicznych, za pomocą ¹⁰⁰-diamantu można zmierzyć wszystkie składniki wektorowe pola magnetycznego jednym czujnikiem. Redukuje to nakład pracy związany z kalibracją i otwiera nowe możliwości dla zastosowań, które wcześniej były ograniczone przez tradycyjne magnetometry. Ten sensor zrewolucjonizuje badania w wielu dziedzinach i stanowi ważny krok w kierunku bardziej precyzyjnych i wydajnych technik pomiarowych.

Wzrost gęstości integracji i czułości

Naukowcom z Fraunhofer IAF udało się w ciągu roku zmniejszyć rozmiar ich zintegrowanego magnetometru kwantowego aż 30-krotnie. Czujnik ma teraz kompaktowe rozmiary porównywalne z powszechnie stosowanymi przemysłowymi optycznie pompowanymi magnetometrami gazowymi (OPMs), przy wysokiej czułości w zakresie pikotesli. System oparty na diamencie wyróżnia się wysoką wytrzymałością i szerokim zakresem pomiarowym, który można elastycznie stosować w różnych scenariuszach pomiarowych, przy minimalnej kalibracji.

„Dążymy do jeszcze wyższej gęstości integracji i jednoczesnego zwiększenia czułości. Naszym celem na nadchodzący rok jest ponowne zmniejszenie rozmiaru czujnika o czynnik 5 i jednoczesne zwiększenie czułości, aby umożliwić pomiary w subpikoteslowym zakresie”, podkreśla dr Michael Stoebe.

Specyfika zintegrowanych magnetometrów kwantowych Fraunhofer IAF to opcjonalne chłodzenie wodne, które zapewnia niezawodne i wytrzymałe pomiary pola magnetycznego nawet w trudnych warunkach użytkowania. Ta elastyczność w konstrukcji i integracji wyróżnia najnowszy prototyp czujnika instytutu w Freiburgu. „Podczas ciągłego rozwoju naszych systemów sensorowych podchodzimy do nich od strony praktycznej i dostosowujemy je do indywidualnych wymagań, które stawiają przed nami użytkownicy”, mówi dr Michael Kunzer, kierownik projektu w Fraunhofer IAF.

Oprócz rozwoju systemu, równolegle ulepszany jest kluczowy element czujnika – jego diamentowy głowica z defektami azotu (NV). Syntetyczny diament jest wzrostem w specjalnych reaktorach instytutu i jest dalej przetwarzany na elementy kwantowe poprzez kontrolowaną wymianę atomów węgla na atomy azotu. W przyszłym roku planowane jest zwiększenie rozmiarów wafli z ultraczystego diamantu z obecnych dwóch do czterech cali, co pozwoli na skalowanie produkcji na poziomie przemysłowym.

GNSS – Bezpieczna nawigacja bez GPS

Obecne systemy nawigacyjne, mimo wysokiej precyzji i szerokiego zasięgu, często są podatne na zakłócenia i nie są dostępne wszędzie. Dlatego coraz większe znaczenie zyskują alternatywne metody nawigacji, które działają niezależnie od globalnych systemów nawigacji satelitarnej (GNSS). Pole magnetyczne Ziemi stanowi obiecującą podstawę, ponieważ wykazuje regionalne różnice, które można wykorzystać jako niewidzialną mapę terenu do autonomicznej nawigacji, szczególnie w obszarach, gdzie sygnały GPS są zakłócone lub trudne do odbioru.

Opracowany w Fraunhofer IAF czujnik kwantowy umożliwia tworzenie szczegółowych map pola magnetycznego i na ich podstawie zapewnia niezawodną nawigację. Wektorowy magnetometr oferuje autonomiczną, odporną na zakłócenia metodę lokalizacji i orientacji na całym świecie. Uzupełnia on nawigację satelitarną i działa również bez sygnałów satelitarnych, na przykład pod wodą, w wąwozach, pod ziemią, w budynkach czy tunelach.

Szybkie i bezkontaktowe pomiary geologiczne

Magnetometr kwantowy Fraunhofer IAF umożliwia precyzyjną i bezkontaktową lokalizację podziemnych złóż minerałów, co pozwala na dostęp do cennych zasobów. Może także wykrywać powierzchniowe niewypały, znacznie zmniejszając ryzyko dla ludzi w zagrożonych obszarach. Wykorzystując ten sam zasadę co nawigacja, można analizować skład skorupy ziemskiej i jej pole magnetyczne, aby wyciągać wnioski na temat struktur geologicznych. Anomalie magnetyczne, takie jak złoża rud czy metaliczne obiekty, jak niewypały, można wykrywać w ten sposób.

Zebrane dane można przekształcać w mapy magnetyczne, które pokazują lokalizacje podejrzanych obiektów i dostarczają informacji o ich głębokości, kształcie i rozmiarze. Metoda ta umożliwia kompleksowe i nieinwazyjne badania terenowe oraz lokalizację obiektów nawet głęboko ukrytych.