Quantenmagnetometrie

Heutige Magnetometer verfügen für viele künftige Applikationen über eine zu geringe räumliche Auflösung oder Sensitivität. 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 Rastersondenmagnetometer 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 wollen wir die Prozess-Kernspinresonanz zur chemischen Prozessanalyse als auch die Streumagnetfeldmessung zur kontaktfreien Materialprüfung erproben und etablieren.

Details

NAME

QMag - Quantenmagnetometrie  

PROJEKTART

Fraunhofer-Leitprojekt  

LAUFZEIT

April 2019  Dezember 2023  

FÖRDERGEBER

  • Fraunhofer-Gesellschaft
  • Land Baden-Württemberg
zu gleichen Teilen
 

BUDGET

10 Mio. €  

ZIEL

Entwicklung zweier komplementärer Quantenmagnetometer, um kleinste Magnetfelder mit hoher Auflösung und hoher Empfindlichkeit bei Raumtemperatur zu messen  

Konsortium

Fraunhofer IAF

Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF koordiniert das Projekt.

 

Aufgabe des IAF in dem Projekt ist die Entwicklung eines bildgebenden Rastersondenmagnetometers auf Basis von NV-Zentren in Diamant, das Magnetfelder mit höchster räumlicher Auflösung bei Raumtemperatur misst. Dies ermöglicht präziseste Messungen in der Mikro- und Nanoelektronik.

Fraunhofer IPM

Das Fraunhofer-Institut für Physikalisch Messtechnik IPM arbeitet an einem OPM-Messsystem für Messungen höchster Auflösung. Dies erschließt neue Anwendungen in der kontaktfreien Materialprüfung oder der chemischen Prozessanalyse.

Fraunhofer IWM

Das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM berechnet mit quantenmechanischen Methoden Einflüsse von Magnetfeldern auf Elektronenspins an Defektkomplexen in Diamantkristallen, auf denen die in QMAG zu realisierenden Quantenmagnetometer beruhen.

Fraunhofer IISB

Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB ist zuständig für die Einbringung von Stickstoff-Atomen in Diamant mittels Ionenimplantation sowie geeignetes thermisches Ausheilen des Materials.

Fraunhofer IMM

Das Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM ist verantwortlich für die Herstellung und Charakterisierung magnetischer Nanopartikel, die an NV-haltigen Diamantspitzen als Verstärker für die angestrebten Quantenmagnetometer fungieren sollen.

Fraunhofer CAP

Das Fraunhofer Centre for Applied Photonics CAP entwickelt Diamantmikrooptiken und Wellenleiter, welche NV-Zentren zu adressieren, und nutzt optische Charakterisierungsmethoden zur Bewertung der NV-Zentren für die Magnetometrie.

Assoziierte Expertise

Ergänzt wird das Konsortium durch die akademische Expertise der Universität Stuttgart auf dem Gebiet der diamantbasierten Quantentechnologien sowie der Universität Freiburg bzw. University of Colorado Boulder auf dem Gebiet der Atomgasmagnetometrie.