Op 1 april 2019, de Fraunhofer-Gesellschaft lanceert het vuurtorenproject "Quantum Magnetometry" (QMag):Freiburg's Fraunhofer-instituten IAF, IPM en IWM willen kwantummagentometrie uit het universitaire onderzoek overdragen naar industriële toepassingen. In nauwe samenwerking met drie andere Fraunhofer-instituten (IMM, IISB en CAP), het onderzoeksteam ontwikkelt sterk geïntegreerde beeldvormende kwantummagnetometers met de hoogste ruimtelijke resolutie en gevoeligheid.

Het vuurtorenproject QMag maakt het gebruik van enkele elektronen mogelijk om de kleinste magnetische velden te detecteren. Dit maakt het gebruik van magnetometers in de industrie mogelijk, bijvoorbeeld voor defectanalyse van nano-elektronische schakelingen, voor de detectie van verborgen materiaalscheuren of om bijzonder compacte magnetische resonantiebeeldvormingsscanners (MRI) te realiseren. "Onze vuurtorenprojecten stellen belangrijke strategische prioriteiten om concrete technologische oplossingen te ontwikkelen voor Duitsland als economische vestigingsplaats. QMag effent de weg voor een Fraunhofer-vuurtoren op het gebied van kwantumtechnologie. De ambitie van de excellente wetenschappers die deelnemen aan het project is om aanzienlijk de technologie te verbeteren en internationaal te definiëren. Op deze manier kan een langdurige overdracht van de revolutionaire innovaties van kwantummagnetometrie naar industriële toepassingen worden bereikt", legt Fraunhofer-voorzitter prof. Reimund Neugebauer uit.

Het project QMag loopt tot 2024 en is met in totaal 10 miljoen euro in gelijke delen opgericht door de Fraunhofer-Gesellschaft en de deelstaat Baden-Württemberg. Het Fraunhofer Instituut voor Toegepaste Vaste-stoffysica IAF, het Fraunhofer Institute for Physical Measurement Techniques IPM en het Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials IWM vormen het kernteam van het QMag-consortium. "De combinatie van de projectpartners is een uitzonderlijk uniek kenmerk van QMag. Dit maakt Freiburg de toonaangevende onderzoekslocatie voor industrieel gebruikte kwantumsensoren - niet alleen in Baden-Württemberg, maar in heel Duitsland", zegt dr. Nicole Hoffmeister-Kraut, Minister van Economische Zaken in Baden-Württemberg. Fraunhofer IAF is verantwoordelijk voor de algehele coördinatie van het vuurtorenproject.

Van klassiek tot kwantummagnetometrie

Magnetometrie heeft twee algemene doelen:het meten van magnetische velden zeer nauwkeurig en op de kleinste schaal. Magnetometers worden al lange tijd intensief gebruikt – als kompassen om het aardmagnetisch veld te meten, voor geologische studies of om nanogestructureerde magnetische lagen in harde schijven te analyseren voor gegevensopslag. Er zijn de afgelopen decennia talloze doorbraken geweest in het wetenschappelijke en technologische gebruik van magnetische velden, toch is de detectie van de kleinste magnetische velden met de hoogste ruimtelijke resolutie bij kamertemperatuur een grote wetenschappelijke uitdaging gebleken.

Daten, bestaande magnetische sensoren zijn van beperkt nut voor industriële toepassingen vanwege hun hoge kosten en de vereiste technische inspanning, zoals koeling. Vooral voor het afbeelden van velden gecreëerd door slechts enkele bewegende elektronen, bestaande magnetometers zijn niet gevoelig genoeg bij kamertemperatuur en beschikken niet over de vereiste ruimtelijke resolutie.

Twee complementaire systemen om de uitdagingen aan te gaan

Het QMag-consortium heeft zich tot doel gesteld om kwantummagnetometrie van laboratorium naar toepassing te brengen en bruikbaar te maken in de industrie. Om dat te kunnen doen, de Fraunhofer-instituten zullen twee complementaire magentometers ontwikkelen die de kleinste magnetische velden en stromen met de hoogste ruimtelijke resolutie kunnen meten, respectievelijk hoogste magnetische gevoeligheid, op kamertemperatuur.

Specifieker, de projectpartners willen twee systemen demonstreren en testen, die gebaseerd zijn op hetzelfde fysische meetprincipe en dezelfde methode, maar gericht zijn op verschillende toepassingen:Enerzijds, een scanningsonde-magnetometer op basis van NV-centra in diamant zal metingen van nano-elektronische circuits met de hoogste precisie mogelijk maken. Anderzijds, meetsystemen op basis van zeer gevoelige optisch gepompte magnetometers ("OPM's") voor toepassingen in materiaalonderzoek en procesanalyse zullen worden gerealiseerd.

Magnetometrie op nanoschaal op basis van NV-centra

Een scanning probe magnetometer kan magnetische velden meten met de hoogste ruimtelijke resolutie bij kamertemperatuur. De magnetometer bestaat uit enkelvoudige atomaire leegstandcomplexen in diamantkristallen die functioneren als de kleinst mogelijke magneet. Centraal staat een stikstofleegstandscentrum ("NV-centrum") in diamant. Een NV-centrum ontstaat wanneer twee aangrenzende koolstofatomen worden verwijderd en één wordt vervangen door een stikstofatoom. De resulterende leegte wordt dan ingenomen door het reserve-elektron van het stikstofatoom. Dit elektron heeft een magnetisch momentum, die, na te zijn georiënteerd, kan worden gebruikt als magneet voor het te meten magnetische veld. Binnen Qmag, een NV-centrum zal in de nanoschaalpunt van een diamantmeetkop worden geplaatst. Wanneer deze sensortip over een monster wordt bewogen binnen een scanningsondemicroscoop, lokale magnetische velden kunnen worden gemeten met een extreem hoge ruimtelijke resolutie. Op deze manier kan de elektriciteitsdistributie in nano-elektronische schakelingen zichtbaar worden gemaakt, gezien het feit dat zelfs de kleinste elektronische stroom een ​​magnetisch veld produceert dat kan worden gevisualiseerd met behulp van de kwantummagnetometer.

"Ons doel is om kwantummagnetometers te ontwikkelen met uitzonderlijke sensorische eigenschappen, compactheid en werkwijze, die innovatieve industriële toepassingen mogelijk maken, en bovendien de evolutie van complexe elektronische systemen in de toekomst vereenvoudigen", zegt prof. dr. Oliver Ambacher, projectmanager en directeur van Fraunhofer IAF.

OPM's voor chemische analyse en materiaaltesten

Het tweede sensorsysteem van QMag maakt gebruik van de magnetische veldafhankelijkheid van elektronische overgangen in alkaliatomen:optisch gepompte magnetometers ("OPM's") zijn een categorie sensoren die worden gebruikt om extreem zwakke magnetische velden te meten. Net als NV-centra, OPM's hebben geen extreme koeling nodig en zijn daarom geschikt voor industrieel gebruik. De focus van het wetenschappelijke werk van QMag ligt op de ontwikkeling van complete meetsystemen op basis van bestaande magnetometer-prototypes.

In OPM's worden alkaliatomen in de gasfase geprepareerd met behulp van een circulair gepolariseerde laserstraal zodat al hun magnetische momenten dezelfde oriëntatie hebben. Binnen de gemeten magnetische velden ervaren de magnetische momenten een synchrone precessie die kan worden gemeten via de absorptie van een laserstraal van voldoende golflengte. De meting kan met zo'n hoge precisie worden gedaan dat zelfs magnetische velden van het femto-Tesla-bereik detecteerbaar zijn - dat is ongeveer de grootte van magnetische velden die onze hersengolven produceren terwijl we denken. Door hun gevoeligheid, OPM's kunnen worden gebruikt als detectoren voor nucleaire magnetische resonantiesignalen ("NMR"). "In QMag, we ontwikkelen complete meetsystemen op basis van bestaande prototypes met één sensor, die innovatieve toepassingsscenario's opent, vooral op het gebied van low-field NMR voor chemische analyse en materiaaltesten", legt prof. dr. Karsten Buse uit, directeur van Fraunhofer IPM.

Verder, het consortium gaat demonstrators realiseren voor sleuteltoepassingen voor de mechanica van materialen. De magnetische detectie van mechanische microscheuren is een zeer gevoelig instrument voor materiaalkarakterisering en het testen van componenten en daarom een ​​zeer relevant toepassingsgebied. "De hoge gevoeligheid van OPM-sensoren bij lage frequenties en kamertemperatuur opent volledig nieuwe toepassingsmogelijkheden voor materiaaltesten. Microscopische materiaaldefecten kunnen niet-destructief worden gemeten op basis van hun magnetische strooiveldsignalen", hoogtepunten Prof. Dr. Peter Gumbsch, directeur van Fraunhofer IWM.

Naast het kernteam drie extra Fraunhofer-instituten dragen hun wetenschappelijke en technologische competenties bij voor de ontwikkeling van kwantumtechnologische sleutelcomponenten. Het consortium wordt gecompleteerd door de academische expertise van Prof. Dr. Jörg Wrachtrup (Universiteit van Stuttgart) op het gebied van op diamanten gebaseerde kwantumtechnologie en door Prof. Dr. Svenja Knappe (Universiteit van Freiburg in samenwerking met de Universiteit van Colorado Boulder) op het gebied van atoomgasmagnetometrie.