Mikroskopische Bildgebung von Magnetfeldern, wie sie die Quantensensorik ermöglicht, erlaubt die Messung des einzigartigen magnetischen Fingerabdrucks von Objekten. Das öffnet in verschiedenen Branchen wie der Werkstoffprüfung oder Biomedizin die Tür für grundlegend neue Anwendungen. Eine Methode mit schnellen Kamerabildern hat das Fraunhofer IAF in Form eines verbesserten Weitfeld-Magnetometers entwickelt. Das System biete einen einzigartigen Kompromiss aus Sensitivität, Auflösung und Geschwindigkeit, heißt es.
Forschenden des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF ist es gelungen, in einem Messaufbau das große Potenzial der Quantensensorik basierend auf Stickstoffvakanz-(NV-)Zentren zu nutzen. Das entwickelte Weitfeld-Magnetometer ermöglicht es, das magnetische Streufeld einer Probe schnell über einen großen Bereich zu messen. Die hohe Messgenauigkeit zeichnet sich durch eine Auflösung bis in den Nanometerbereich aus und ist absolut quantifizierbar.
Messvorteile des Weitfeld-Magnetometers
am Beispiel Materialwissenschaft
In der Materialwissenschaft werden experimentelle Methoden zur Charakterisierung polykristalliner Materialien eingesetzt, um ein mikroskopisches Verständnis des makroskopischen Materialverhaltens zu erhalten. Dadurch wird es möglich, Materialien besser zu verstehen und ihre Eigenschaften zu optimieren. Die gängigen Methoden sind dabei jedoch meist auf lange Messzeiten und große Versuchsanlagen angewiesen. Oft sind auch Vakuumbedingungen oder hochenergetische Teilchen notwendig, die sich nachteilig auf das Probenmaterial auswirken können.
Die Weitfeld-Magnetometrie auf der Basis von NV-Zentren ist eine alternative, nicht-invasive Methode, die bei Raumtemperatur arbeitet. Dadurch ergeben sich neue Möglichkeiten für Einblicke in die mikroskopische Magnetfeldverteilung, was ein großes Potential für Materialanalysen birgt. Das System ist nicht auf anorganische Materialproben beschränkt, sondern lässt sich durch seine vergleichsweise geringen Ansprüche an die Messumgebung auch an organischen Proben anwenden. Diese Messeigenschaften, gepaart mit der hohen Messgeschwindigkeit der am Fraunhofer IAF entwickelten Methode, ermöglichen sogar komplexe Messungen wie Fluktuationen, Wechselfelder und Wechselstrom-(AC-)Messungen und ebnen den Weg für neuen Materialanalyseverfahren.
Magnetometrie mit Diamant
Die Weitfeld-Magnetometrie basiert auf NV-Zentren in dünnen Diamantschichten und ist ein junger Ansatz in der Quantensensorik. Der am Fraunhofer IAF entwickelte Messaufbau nutzt einen Arbiträrsignalgenerator (AWG), der Mikrowellenstrahlung erzeugt und einen Laser sowie das Aufnahmezeitfenster einer Kamera nanosekundengenau auslöst. Durch verschiedene Messprotokolle wird dadurch eine hohe Flexibilität und Präzision der Messungen ermöglicht.
„Das Weitfeld-Magnetometer profitiert nicht nur von unserem verbesserten Aufbau, sondern auch von dem am Fraunhofer IAF entwickelten Wachstumsprozess für Diamantplatten, die wir als Sensor nutzen“, sagt Dr. Jan Jeske, stellvertretender Geschäftsfeldleiter Quantenbauelemente am Fraunhofer IAF.
Die am Institut gewachsenen Substrate basieren auf (100)-orientiertem, reinem, undotiertem Diamant vom Typ „IIa“ mit einer Dicke von 500 μm und einer Fläche von 4 x 4 mm. Dieses Substrat wird mit einer dünnen Schicht überwachsen, in der die NV-Zentren für die Sensoranwendung probennah erzeugt werden.
Weitfeld-Magnetometrie entstand im Projekt QMag
Das neue Messsystem wurde im Zuge des Fraunhofer-Leitprojekts „QMag – Quantenmagnetometrie“ entwickelt, das zu gleichen Teilen durch die Fraunhofer-Gesellschaft und das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg gefördert wird.
Bild: Fraunhofer IAF
Ziel des Fraunhofer-Konsortiums „QMag“ ist, Magnetometer weiter zu entwickeln und für Anwendungen zu erproben. Dabei kommen zwei verschiedene, auf Konzepten der Quantentechnologie basierende Magnetometer Prinzipien zum Einsatz:
- Zum einen sollen Stickstoff-Vakanz-Zentren in Diamant genutzt werden, die als kleinste Tastmagneten in einem bildgebenden Rastersonden-Magnetometer fungieren. Damit wird ein einzelnes atomares System zu einem hochempfindlichen Sensor, der bereits bei Raumtemperatur betrieben werden kann.
- Zum anderen kommt ein alternatives Messverfahren zum Einsatz, das die Magnetfeldabhängigkeit der optischen Eigenschaften von Alkali-Atomen (»optisch gepumpte Alkali-Magnetometer«, OPM) nutzt.
Basierend auf Prototypen solcher Magnetometer sollen anwendungsspezifisch kostengünstige, komplette Messsysteme entwickelt werden. Die beiden Messverfahren sind komplementär hinsichtlich höchster Ortsauflösung und extremer Empfindlichkeit, so dass im Ergebnis unterschiedliche neue Anwendungen erschlossen werden können.
Mit solchen neuartigen Quantenmagnetometern ließen sich beispielsweise mikro- und nanoelektronische Bauelemente zerstörungsfrei prüfen und optimieren. Sogar einzelne Bits in Speichermedien könnten visualisiert werden. Außerdem sollen im Projekt die Prozess-Kernspinresonanz zur chemischen Prozessanalyse als auch die Streumagnetfeldmessung zur kontaktfreien Materialprüfung erprobt und etabliert werden.
Projekt Qu-Pilot zur schnelleren Markteinführung von Quantentechnologien gestartet
Im Zuge des Projekts hat sich in Freiburg im Breisgau eine konzentrierte Magnetometrie-Expertise und -Infrastruktur an den drei Instituten Fraunhofer IAF, IPM und IWM entwickelt, die gemeinsam den Quantum Sensing Hub Freiburg bilden. Das Projekt wird zu gleichen Teilen durch die Fraunhofer-Gesellschaft und das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg gefördert (eve)
