»Das Innovationspotenzial der Quantensensorik für industrielle Produkte erschließen«

3.7.2019

Die Quantenmagnetometrie soll neuartige Anwendungen in der Fehleranalyse mikro- und nanoelektronischer Schaltungen ermöglichen. Fraunhofer Mikroelektronik sprach mit QMag-Projektkoordinator Prof. Oliver Ambacher über Herausforderungen und Chancen des Vorhabens.

© Universität Freiburg, Klaus Polkowski

Prof. Oliver Ambacher.

Herr Prof. Ambacher, was möchten Sie im Rahmen des QMag-Projekts erreichen?

Unser Ziel ist es, Quantenmagnetometer zu entwickeln, mit denen wir winzige Magnetfelder mit einer nie dagewesenen räumlichen Auflösung und Sensitivität bildgebend darstellen können. Das wollen wir mit zwei komplementären Quantensensor-Systemen erreichen, die beide ein einzelnes Elektron als »Tastmagnet« nutzen: Für das erste Quantenmagnetometer fangen wir ein Elektron durch einen atomaren Defekt in Diamant ein, für das andere nutzen wir ein Alkali-Atom, das in seiner äußeren Schale ein einzelnes Elektron aufweist.

Das quantisierte magnetische Moment eines lokalisierten Elektrons in einem Diamantkristall eignet sich ideal zur Realisierung eines Rastersonden-Quantenmagnetometers. Mit einem solchen Sensorsystem lassen sich berührungslos Stromverteilungen in mikro- und nanoelektronischen Schaltungen sichtbar machen.

Aufgrund der magnetischen Wechselwirkung eines zu messenden metallischen Werkstoffes mit dem Außenelektron des Alkali-Atoms kann mit Hilfe eines zweiten Sensorsystems die Empfindlichkeit nochmals gesteigert werden. Im Leitprojekt werden wir auch Quantensensoren auf Basis optisch gepumpter Magnetometer demonstrieren und für industrielle Anwendungen in der Materialprüfung und Prozessanalytik evaluieren.

Welche Anwendungsperspektiven bieten die beiden technologischen Ansätze?

Ein Rastersonden-Quantenmagnetometer kann berührungslos und zerstörungsfrei Magnetfelder mit höchster räumlicher Auflösung bei Raumtemperatur messen. Dadurch können sie eingesetzt werden, um Fertigungstoleranzen magnetischer Datenspeicher zu bestimmen, oder auch, um Magnetit im Orientierungssinn von Bakterien nachzuweisen. Aufgrund ihrer extrem hohen Sensitivität sind optisch gepumpte Magnetometer für medizinische Analysen, die Werkstoffcharakterisierung oder die Produktionskontrolle besonders gut geeignet.

Was sind Ihre Aufgaben als Projektkoordinator?

Da fast jede Institution ihre fachliche und technologische Expertise in die Erforschung und Entwicklung der beiden Quantensensoren einbringen wird, bemühe ich mich um eine regelmäßige und intensive Abstimmung der beteiligten Forschenden, technischen Fachkräfte und administrativen Mitarbeitenden. Dies gewährleistet eine enge und effiziente Zusammenarbeit der sechs beteiligten Fraunhofer-Institute sowie der zwei assoziierten Universitäten. Auch möchte ich sicherstellen, dass unser Projekt durch eine kreative Öffentlichkeitsarbeit und ein kundenorientiertes Marketing begleitet wird.

Wie tragen die Partner zum Gelingen des Projekts bei?

Das Fraunhofer IPM und das Fraunhofer IWM bringen z. B. ihre weitreichende Expertise in der optischen Messtechnik und der Simulation atomarer Defekte ein. Die Universitäten Stuttgart und Boulder Colorado bringen ihre große experimentelle Erfahrung in der Charakterisierung der Quantensensoren auf Basis von Diamant und Alkali-Atomen ein. Jeder der anspruchsvollen Meilensteine kann nur im Team erreicht werden. Das Leitprojekt wird durch viele kluge und interessante Menschen mit einer gemeinsamen Vision getragen: Das Innovationspotenzial der Quantensensorik für industrielle Produkte zu erschließen.

Herr Prof. Ambacher, vielen Dank für das Gespräch!

Das Interview führte Marco Krämer.

 

 

Zur Person:

Oliver Ambacher erhielt die Titel eines Diplom-Physikers und eines Doktors der Naturwissenschaften an der LMU und der TU München 1989 und 1993 mit Auszeichnung. Als wissenschaftlicher Assistent an der TU München erforschte er ab 1993 unter anderem niedrigdimensionale Elektronensysteme in GaN-basierten Heterostrukturen und Quantentöpfen. Nach seiner Beförderung zum Oberassistenten 2001 erfolgte ein Jahr später die Ernennung zum Professor für Nanotechnologie an der TU Ilmenau. 2002 wurde er zum Direktor des Instituts für Festkörperelektronik und 2004 zum Direktor des Zentrums für Mikro- und Nanotechnologien der TU Ilmenau ernannt. Seit Oktober 2007 ist Oliver Ambacher Professor an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg sowie Leiter des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF.