QMag - Quantenmagnetometrie

Im »QMag«-Projekt haben Fraunhofer-Forschende Quantensensoren für konkrete industrielle Anwendungen untersucht und weiterentwickelt: 

Material- und Werkstoffprüfung

In der Materialprüfung können OPMs und NV-Magnetometer komplementär eingesetzt werden: Während die OPMs ein dynamisches Signal aus der ganzen Probe liefern, können mittels NV-Magnetometrie die magnetischen Eigenschaften einzelner Schädigungen auf der Mikro- und Nanoskala im Detail gemessen werden.

Die Forschungsergebnisse zeigen, dass die Quantenmagnetometer bereits Veränderungen im Magnetfeld der Proben detektieren, wenn die Materialermüdung noch nicht sichtbar ist. Die Forschenden haben mittels OPMs die Änderungen des Magnetfelds ferromagnetischer Materialproben gemessen, während diese zyklisch ermüdet wurden. So haben sie gezeigt, dass Quantenmagnetometer kleinste Materialdefekte viel früher erkennen als herkömmliche Technologien. Zudem konnte die Messdauer verkürzt werden, was für den Einsatz in industriellen Prozessen wie der Bauteilprüfung sehr wichtig ist. 

Biomedizin

Den Forschenden ist es gelungen, ein neues NV-Magnetometer zu entwickleln, das bei der Materialprüfung zu schnelleren Ergebnissen führt und sogar weitere Anwendungen ermöglicht: Das Weitfeldmagnetometer misst Magnetfelder über einen großen Probenbereich in sehr kurzer Zeit und eignet sich damit für schnelle Messungen im industriellen Einsatz. Es kann für die Charakterisierung und Optimierung von ferromagnetischen Werkstoffen eingesetzt werden, aber es eignet sich auch sehr gut für Anwendungen in der Biomedizin und der Medizintechnik. Organische Proben können damit zerstörungsfrei und bildgebend untersucht werden.

Durchflussmessung

Einen weiteren Erfolg erzielten die Forschenden beim Einsatz von OPMs in der Durchflussmessung: Sie haben ein gänzlich neues Verfahren zur Messung der Fließgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten in einem Rohr entwickelt, das auf OPMs basiert. Die magnetometrische Durchflussmessung ist ein kontaktloses Verfahren, das auf eine Vielzahl von Medien anwendbar ist und sich für den Einsatz in der Prozesskontrolle eignet. Dieses Verfahren stellt einen bedeutenden Fortschritt dar, weil bisherige Methoden zur Durchflussmessung meistens invasiv sind.

Chipindustrie

Das Projektteam hat den Einsatz von Quantenmagnetometern in der Mikro- und Nanoelektronik sowie der Chipherstellung untersucht und enormes Potenzial festgestellt: Bei der Qualitätskontrolle lassen sich mit Quantenmagnetometern elektrische Schaltkreise vermessen und beispielsweise fehlerhafte Transistoren sofort identifizieren. 

Testmöglichkeiten für die Industrie

Um die Forschungsergebnisse der Industrie zugänglich zu machen und die entwickelten Technologien für spezifische Anwendungen zu testen, wurden im Rahmen des Projekts zwei Technika errichtet. Am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM wurde ein magnetisch abgeschirmter Raum installiert, der für Testmessungen genutzt werden kann. 

Um den Transfer der Quantenmagnetometer in die Industrie zu erleichtern, wurde am Fraunhofer IAF ein weiteres Technikum errichtet, das mehrere NV-Magnetometer enthält. Es ermöglicht interessierten Unternehmen, insbesondere KMU und Start-ups, den Nutzen und das Potenzial von Quantenmagnetometern für ihre spezifischen Anforderungen zu evaluieren.