Hochsensitive Quantenmagnetometer auf dem Weg in die Industrie

Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörper­physik IAF entwickelt Quanten­magneto­meter auf Basis von Diamant. Sie sollen magnetische Felder mit einer räum­lichen Auflösung von wenigen Nano­metern bis hin zu einzelnen Elektronen- und Kern­spins nachweisen. Aufgrund der physikalischen Material­eigenschaften funktionieren Diamant-Quanten­magneto­meter bei Raum­temperatur, was ideal für industrielle Anwendungen ist. Auf der diesjährigen Laser World of Photonics präsentiert das Forschungs­institut gleich zwei viel­versprechende Projekte.

Derzeit sind Magneto­meter für den industri­ellen Einsatz nur bedingt geeignet, da ihr Betrieb aufwendig und teilweise nur bei extremer Kühlung möglich ist. Zudem verfügen sie für viele Anwendungen über eine zu geringe räumliche Auf­lösung oder Sensi­tivität.

Aus diesem Grund haben sich Fraunhofer-Forschende aus sechs Instituten im Projekt „Quanten­magneto­metrie“ (kurz „QMag“) zusammen­geschlossen, um Sensoren zu entwickeln, mit denen winzige Magnet­felder mit einer nie dagewesenen räum­lichen Auflösung und Sensi­tivität bild­gebend und bei Raum­temperatur dar­gestellt werden können. Das Ziel des Fraunhofer-Leitprojektes besteht darin, die Quanten­magneto­metrie aus dem uni­versitären Forschungs­umfeld in konkrete industri­elle Applika­tionen zu über­führen: Bis 2024 realisieren die Projekt­partner Quanten­magneto­meter für den industri­ellen Einsatz in der Nano­elektronik, der chemischen Analytik und der Material­prüfung.

QMag wird mit insgesamt 10 Mio. Euro zu gleichen Teilen von der Fraunhofer-Gesellschaft und dem Land Baden-Württemberg gefördert. Die Freiburger Fraunhofer-Institute für Angewandte Fest­körper­physik IAF, für Physi­kalische Mess­technik IPM und für Werk­stoffmechanik IWM bilden das Kern­team des Forschungs­konsortiums. Drei weitere Fraunhofer-Institute steuern ihre wissen­schaftlichen und technologischen Kompetenzen bei: das Fraunhofer-Institut für Mikro­technik und Mikro­systeme IMM, Fraunhofer-Institut für Inte­grierte Systeme und Bau­elemente­techno­logie IISB ebenso wie das Fraunhofer Centre for Applied Photonics CAP in Glasgow.

Im Projekt QMag werden zwei Systeme getestet, die auf den gleichen physika­lischen Mess­prinzipien und -methoden beruhen, jedoch unter­schiedliche Anwendungen ansteuern: Zum einen entwickeln die Forschenden ein bildgebendes Raster­sonden­magneto­meter auf Basis von NV-Zentren in Diamant für präziseste Messungen von nano­elektro­nischen Schaltungen. Zum anderen realisieren sie Messsysteme auf Basis von höchst­sensitiven optisch gepumpten Magneto­metern (OPMs) für Anwendungen in der Material­prüfung und Prozessanalytik.

„In Bezug auf die Raster­sonden­magnetometer konnten wir in der ersten Projekt­hälfte große Fort­schritte in der Entwicklung und Optimierung von Diamant­sensor­spitzen erzielen“, hält Dr. Ralf Ostendorf, Projekt­koordinator von QMag, fest. Dies betrifft sowohl das Wachs­tum von hoch­qualita­tivem Diamant als auch die gezielte Er­zeugung und Platzie­rung von NV-Zentren in den Diamant­spitzen. Darüber hinaus haben die Forschenden Mikrolinsen entwickelt sowie magnetische Nano­partikel synthetisiert, die in die Diamant­spitzen eingebracht werden, um diese hinsichtlich Genauigkeit und Effizienz weiter zu optimieren.

Das zweite vom Fraunhofer IAF präsentierte Forschungs­projekt im Bereich der Quanten­magneto­metrie zielt auf die Anwendung in der medizinischen Diagnostik.

In dem Projekt „NV-dotierter CVD-Diamant für ultra-sensitive Laser­schwellen-Magnetometrie“ (kurz: „DiLaMag“) forscht ein Team an der En­twicklung eines extrem sensiblen Sensors, der beispiels­weise die schwachen Magnet­felder der Herz- und Hirn­aktivitäten des mensch­lichen Körpers messen kann. Damit könnten Krank­heiten früher detektiert werden.

„Unser Ziel ist es, einen extrem sensiblen Magnet­feld­sensor zu entwickeln, der bei Raumtemperatur sowie bei vorhandenen Hinter­grund­feldern funktio­niert und damit prakti­kabel in der klinischen Umsetzung ist“, erklärt Dr. Jan Jeske, Projektleiter von DiLaMag.

Auf der diesjährigen Fachmesse Laser World of Photonics wird es erstmals einen Aus­stellungs­bereich zum Thema Quanten­technologien geben: In der World of Quantum (Halle A4) präsentieren die beteiligten Fraunhofer-Institute IAF, IPM und IWM ihr Projekt QMag. Das Gemeinschaftsexponat demonstriert die Materialprüfung mit OPMs.

Außerdem stellt das Fraunhofer IAF seine Forschungs­arbeiten im Bereich Diamant­wachstum sowie NV-dotierter Diamant vor und demon­striert das grund­legende Prinzip der Messung mit NV-Diamanten.

IAF / LK