Den 1 april 2019, Fraunhofer-Gesellschaft lanserar fyrprojektet "Quantum Magnetometry" (QMag):Freiburgs Fraunhofer-institut IAF, IPM och IWM vill överföra kvantmagentometri från universitetsforskning till industriella tillämpningar. I nära samarbete med ytterligare tre Fraunhofer -institut (IMM, IISB och CAP), forskargruppen utvecklar högintegrerade bildkvantemagnetometrar med högsta rumsliga upplösning och känslighet.

Fyrprojektet QMag möjliggör användning av enstaka elektroner för att detektera minsta magnetfält. Detta gör det möjligt att använda magnetometrar i industrin, till exempel för defektanalys av nanoelektroniska kretsar, för detektering av dolda materialsprickor eller för att realisera särskilt kompakta magnetiska resonansavbildningsskannrar (MRI). "Våra fyrprojekt sätter viktiga strategiska prioriteringar för att utveckla konkreta tekniska lösningar för Tyskland som en ekonomisk plats. QMag banar väg för en Fraunhofer -fyr inom kvantteknik. Ambitionen hos de utmärkta forskare som deltar i projektet är att avsevärt förbättra tekniken och definiera den internationellt. På så sätt kan en långsiktig överföring av de revolutionära innovationerna inom kvantmagnetometri till industriella tillämpningar uppnås ", förklarar Fraunhofer -ordförande prof. Reimund Neugebauer.

Projektet QMag pågår fram till 2024 och grundas med totalt 10 miljoner euro i lika delar av Fraunhofer-Gesellschaft och förbundsstaten Baden-Württemberg. Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF, Fraunhofer Institute for Physical Measurement Techniques IPM och Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials IWM utgör kärnteamet i QMag -konsortiet. "Kombinationen av projektpartners är en exceptionellt unik egenskap hos QMag. Detta gör Freiburg till den ledande forskningsplatsen för industriellt använda kvantgivare-inte bara i Baden-Württemberg, men i hela Tyskland ", säger Dr Nicole Hoffmeister-Kraut, Ekonomiminister i Baden-Württemberg. Fraunhofer IAF ansvarar för den övergripande samordningen av fyrprojektet.

Från klassisk till kvantmagnetometri

Magnetometri har två allmänna mål:att mäta magnetfält mycket exakt och i minsta skala. Magnetometrar har använts intensivt under lång tid - som kompasser för att mäta jordens magnetfält, för geologiska studier eller för att analysera nanostrukturerade magnetiska lager i hårddiskar för datalagring. Det har skett många genombrott inom den vetenskapliga och tekniska användningen av magnetfält under de senaste decennierna, Ändå har detektering av minsta magnetfält med högsta rumsliga upplösning vid rumstemperatur visat sig vara en stor vetenskaplig utmaning.

Hittills, befintliga magnetiska sensorer har begränsad användning för industriella applikationer på grund av deras höga kostnader och den tekniska ansträngning som krävs, som kylning. Speciellt för avbildning av fält som skapats av endast ett fåtal rörliga elektroner, befintliga magnetometrar är inte tillräckligt känsliga vid rumstemperatur och har inte den nödvändiga rumsliga upplösningen.

Två kompletterande system för att hantera utmaningarna

QMag -konsortiet har satt som mål att föra kvantmagnetometri från laboratorium till tillämpning och göra den användbar inom industrin. För att göra det, Fraunhofer -instituten kommer att utveckla två komplementära magentometrar som kan mäta minsta magnetfält och strömmar med högsta rumsliga upplösning, respektive högsta magnetiska känslighet, vid rumstemperatur.

Mer specifikt, projektpartnerna syftar till att demonstrera och testa två system, som är baserade på samma fysiska mätprincip och metod men som riktar sig till olika tillämpningar:Å ena sidan, en magnetometer med skanningssond baserad på NV -centra i diamant kommer att möjliggöra högsta precisionsmätning av nanoelektroniska kretsar. Å andra sidan, mätsystem baserade på mycket känsliga optiskt pumpade magnetometrar ("OPM") för tillämpningar inom materialprobning och processanalys kommer att realiseras.

Nanoskalad magnetometri baserad på NV -centra

En magnetometer med skanningssond kan mäta magnetfält med högsta rumsliga upplösning vid rumstemperatur. Magnetometern består av enstaka atomära vakanskomplex i diamantkristaller som fungerar som minsta möjliga magnet. Ett kvävevakanscenter ("NV -centrum") i diamant spelar den centrala delen. Ett NV -centrum utvecklas när två närliggande kolatomer avlägsnas och en ersätts med en kväveatom. Den resulterande vakansen upptas sedan av kväveatomens reservelektron. Denna elektron har en magnetisk fart, som, efter att ha orienterats, kan användas som en magnet för det magnetfält som ska mätas. Inom Qmag, ett NV -center kommer att placeras i nanoskalad spets av ett diamantmäthuvud. När denna sensortopp flyttas över ett prov i ett skanningsmikroskop, lokala magnetfält kan mätas med extremt hög rumslig upplösning. På detta sätt kan elfördelningen i nanoelektroniska kretsar synliggöras, med tanke på att även den minsta elektroniska strömmen producerar ett magnetfält som kan visualiseras med hjälp av kvantmagnetometern.

"Vårt mål är att utveckla kvantmagnetometrar med exceptionella sensoriska egenskaper, kompaktitet och driftsätt, som möjliggör innovativa industriella tillämpningar, och förenkla vidare utvecklingen av komplexa elektroniska system i framtiden ", säger professor Dr. Oliver Ambacher, projektledare och direktör för Fraunhofer IAF.

OPM för kemisk analys och materialtestning

Det andra sensorsystemet i QMag använder magnetfältberoendet för elektroniska övergångar i alkaliatomer:optiskt pumpade magnetometrar ("OPM") är en kategori sensorer som används för att mäta extremt svaga magnetfält. Precis som NV centrerar, OPM kräver ingen extrem kylning och är därför kvalificerade för industriellt bruk. Fokus för det vetenskapliga arbetet i QMag ligger på utvecklingen av kompletta mätsystem baserade på befintliga magnetometerprototyper.

I OPM framställs alkali atomer i gasfasen med hjälp av en cirkulär polariserad laserstråle så att alla deras magnetiska moment har samma orientering. Inuti de uppmätta magnetfälten upplever de magnetiska momenten en synkron precession som kan mätas via absorption av en laserstråle med tillräcklig våglängd. Mätningen kan göras med så hög precision att även magnetfält inom femto-Tesla-området kan detekteras-vilket är ungefär lika stort som magnetfält som våra hjärnvågor producerar medan vi tänker. På grund av deras känslighet, OPM kan användas som detektorer för kärnmagnetiska resonanssignaler ("NMR"). "I QMag, vi utvecklar kompletta mätsystem baserade på befintliga enkelsensorprototyper, som öppnar innovativa applikationsscenarier, särskilt när det gäller lågfält-NMR för kemisk analys och materialtestning ", förklarar professor Dr. Karsten Buse, direktör för Fraunhofer IPM.

Vidare, konsortiet kommer att realisera demonstratorer för viktiga applikationer för materialmekanik. Magnetisk detektering av mekaniska mikrosprickor är ett mycket känsligt verktyg för materialkarakterisering och komponenttestning och därför ett mycket relevant tillämpningsområde. "Den höga känsligheten hos OPM-sensorer vid låga frekvenser och rumstemperatur öppnar helt nya tillämpningsmöjligheter för materialtestning. Mikroskopiska materialdefekter kan mätas icke-destruktivt på grundval av deras magnetiska strålfältssignaler", framhäver professor Dr. Peter Gumbsch, direktör för Fraunhofer IWM.

Vid sidan av kärnlaget, ytterligare tre Fraunhofer -institut bidrar med sina vetenskapliga och tekniska kompetenser för utveckling av kvantteknologiska nyckelkomponenter. Konsortiet kompletteras av den akademiska expertisen från prof. Dr. Jörg Wrachtrup (universitetet i Stuttgart) inom diamantbaserad kvantteknik och av prof. Dr. Svenja Knappe (universitetet i Freiburg i samarbete med University of Colorado Boulder) inom atomgasmagnetometri.