Quantensensoren für extrem schwache Magnetfelder

19.6.2019

Im Rahmen des Fraunhofer-Leitprojekts »QMag« werden Quantenmagnetometer für die Bildgebung sehr schwacher Magnetfelder entwickelt und für den Einsatz in der Analyse mikro- und nanoelektronischer Schaltungen evaluiert.

© Fraunhofer IAF / Dmitriy Rybin Shutterstock

Das Leitprojekt »QMag« startete im April 2019 und läuft bis 2024.

© Fraunhofer IAF

Schematische Darstellung eines Rastersonden- Quantenmagnetometers mit einem Diamantkristall, in dessen Spitze das magnetische Moment eines einzelnen Elektrons als Tastmagnet ausgerichtet wurde.

Die im Leitprojekt »QMag« zu entwickelnden Sensorsysteme nutzen die quantisierten magnetischen Momente einzelner Elektronen aus, um diese als kleinste mögliche Tastmagnete zur Darstellung von Magnetfeldverteilungen mit extrem hoher Empfindlichkeit und Ortsauflösung zu nutzen. Durch die Wahl der Einzel-Elektronen-Systeme und eine hohe Integration der Sensorkomponenten werden die Quantenmagnetometer für den industriellen Einsatz nutzbar gemacht.

Technische Herausforderungen

Aktuell verfügbare Magnetsensoren eignen sich nur bedingt für den industriellen Einsatz: Um eine gute Ortsauflösung und Empfindlichkeit zu erzielen, müssen die Sensoren stark gekühlt werden – hohe Betriebskosten und ein großer technischer Aufwand sind die Folge.

Im Rahmen von QMag werden neuartige, industrietaugliche Quantensensoren entwickelt, die Magnetfelder bei Raumtemperatur hochpräzise und auf kleinster Skala erfassen können. Dabei verfolgen das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF und seine Projektpartner zwei technologische Ansätze.

Messung mit Diamantspitzen

Beim Rastersonden-Quantenmagnetometer wird in die nanoskalige Spitze eines Diamantkristalls ein atomarer Defekt kontrolliert eingebracht. In diesem Defekt wird ein einzelnes Elektron eingefangen. Das magnetische Moment dieses Elektrons wird ausgerichtet und als kleinster möglicher Tastmagnet genutzt. Dieses System erlaubt auch bei Raumtemperatur die Vermessung von Magnetfeldern mit höchster räumlicher Auflösung. Damit können Stromverteilungen in nanoelektronischen Schaltungen sichtbar gemacht werden.

Messung mit Alkali-Atomen

Bei optisch gepumpten Magnetometern (OPMs) werden die magnetischen Momente der Außenelektronen gasförmiger Alkali- Atome ausgerichtet. Deren Bewegungsmuster geben dann Aufschluss über die Stärke des zu messenden Magnetfelds. OPMs erkennen bei Raumtemperatur auch schwache Felder mit Stärken von nur wenigen Femto-Tesla; dies entspricht in etwa dem magnetischen Feld menschlicher Hirnströme. Damit eignet sich dieses Quantenmagnetometer zur zerstörungsfreien Erkennung mikroskopischer Defekte in der Werkstoffprüfung und Produktionskontrolle.

In QMag arbeiten sechs Fraunhofer-Institute mit zwei Universitäten zusammen. Das Projekt wird durch die Fraunhofer-Gesellschaft und das Land Baden-Württemberg über einen Zeitraum von fünf Jahren zu gleichen Teilen gefördert.

 

 

Über QMag

 

Das Kernteam von QMag bilden:

• Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF (Koordination)

• Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM

• Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

 

Außerdem beteiligt sind:

• Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM

• Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB

• Fraunhofer Centre for Applied Photonics CAP

 

Experten aus folgenden Universitäten sind involviert:

• Universität Stuttgart

• Universität Boulder Colorado