Heutige Magnetometer verfügen für viele künftige Applikationen über eine zu geringe räumliche Auflösung oder Sensitivität. Ziel des Fraunhofer-Konsortiums »QMag« ist es, Magnetometer mit Methoden den Quantensensorik weiter zu entwickeln und für industrierelevante Anwendungen zu erproben. Dabei kommen zwei verschiedene, auf Konzepten der Quantentechnologie basierende Magnetometerprinzipien zum Einsatz. Zum einen sollen Stickstoff-Vakanz- (»nitrogen vacancy«, NV)-Zentren in Diamant genutzt werden, die als kleinste Tastmagneten in einem bildgebenden Rastersondenmagnetometer fungieren. Zum anderen kommt ein alternatives Messverfahren zum Einsatz, das die Magnetfeldabhängigkeit der optischen Eigenschaften von Alkali-Atomen (»optisch gepumpte Alkali-Magnetometer«, OPM) nutzt. Mit den beiden Ansätzen sollen Anwendungen in der Mikro- und Nanoelektronik, der Materialprüfung und der Prozessanalytik erschlossen werden.

Fortschritte bei der Diamant-Magnetometrie

Im Bereich der Diamant-NV-Zentren erreichte das Fraunhofer IAF im ersten Jahr große Fortschritte in der Optimierung des Kristallwachstums. Mit dem hochqualitativen Diamant soll eine bessere Ortsauflösung und Empfindlichkeit erreicht werden.

Mit quantentheoretischen Methoden berechnet das Fraunhofer IWM Einflüsse von Oberflächen und Strukturdefekten auf Eigenschaften von NV-Zentren. Des Weiteren arbeitet das Fraunhofer CAP an einer verbesserten Lichtextraktion aus den Diamantspitzen, um die Signalqualität zu erhöhen. Das Fraunhofer IMM stellt magnetische Nanopartikel her, die an der Diamantspitze angebracht werden und die Empfindlichkeit noch einmal erhöhen sollen. Das Fraunhofer IISB entwickelt eine Methode zur gezielten Erzeugung von NV-Zentren, mit der technischen Herausforderung einer möglichst genauen Platzierung der NV-Zentren in der Diamantspitze. In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IWM wurden außerdem erfolgreich erste Magnetfeldmessungen an einer ermüdeten Stahlkonstruktion durchgeführt. 

Die Diamantspitzen werden im nächsten Schritt nun in Rastersondenmagnetometer eingebaut, um hochauflösende Stromverteilungen von nano-und mikroelektronischen Schaltungen zu vermessen.

Fortschritte beim Einsatz der optisch gepumpten Alkali-Magnetometer

Am Fraunhofer IPM wurden  für die Arbeit mit den OPM zwei magnetische Abschirmungen in Betrieb genommen. Diese bieten kontrollierte Bedingungen für sehr rauscharme und empfindliche Messungen und kommen bei der Anwendungsentwicklung  für die Prozessanalytik und in der Materialprüfung zum Einsatz.  In einem »Shuttle«-Experiment konnten erste NMR-Signale von Wasser gemessen werden.

Das Fraunhofer IPM wird Methoden der NMR bei schwachen Magnetfeldstärken (< 100 µT) anwenden und somit die Machbarkeit einer auf Niederfeld-NMR basierenden Durchflussmessung mit OPM erforschen.

In Kürze wird von Fraunhofer IWM und Fraunhofer IPM gemeinsam ein Messaufbau in Betrieb genommen, um magnetische Signaturen bei der Materialermüdung mit Hilfe von OPM zu messen.