Schnelle magnetische Bildgebung mit diamantbasierter Quantensensorik
Neuartiges Weitfeld-Magnetometer ermöglicht schnelle Messung des magnetischen Streufelds über einen großen Bereich.
Mikroskopische Bildgebung von Magnetfeldern, wie sie die Quantensensorik ermöglicht, erlaubt die Messung des einzigartigen magnetischen Fingerabdrucks von Objekten. Eine innovative Methode mit schnellen Kamerabildern haben Forscher des Fraunhofer-Institut für angewandte Festkörperphysik in Form eines verbesserten Weitfeld-Magnetometers entwickelt. Das System bietet einen einzigartigen Kompromiss aus Sensitivität, Auflösung und Geschwindigkeit. Den Wissenschaftlern gelang es, in einem weltweit einzigartigen Messaufbau das große Potenzial der Quantensensorik basierend auf Stickstoffvakanz-Zentren zu nutzen.
Das entwickelte Weitfeld-Magnetometer ermöglicht es, das magnetische Streufeld einer Probe schnell über einen großen Bereich zu messen. Die hohe Messgenauigkeit zeichnet sich durch eine Auflösung bis in den Nanometerbereich aus und ist absolut quantifizierbar. Diese Messmethode eröffnet neue Wege in der Metrologie und eignet sich durch seine breite Anwendungsmöglichkeit, die von Stählen bis zu organischen Proben reicht, für verschiedene Branchen wie der Nano-Elektronik, den Materialwissenschaften oder der Biomedizin.
Die Weitfeld-Magnetometrie basiert auf NV-Zentren in dünnen Diamantschichten und ist ein junger Ansatz in der Quantensensorik. Der am Fraunhofer-IAF entwickelte Messaufbau nutzt einen Arbiträrsignalgenerator, der Mikrowellenstrahlung erzeugt und einen Laser sowie das Aufnahmezeitfenster einer Kamera nanosekundengenau auslöst. Durch verschiedene Messprotokolle wird dadurch eine hohe Flexibilität und Präzision der Messungen ermöglicht.
„Das Weitfeld-Magnetometer profitiert nicht nur von unserem verbesserten Aufbau, sondern auch von dem am Fraunhofer-IAF entwickelten Wachstumsprozess für Diamantplatten, die wir als Sensor nutzen“, erklärt Jan Jeske, stellvertretender Geschäftsfeldleiter Quantenbauelemente am Fraunhofer-IAF. Die am Institut gewachsenen Substrate basieren auf (100)-orientiertem, reinem, undotiertem Diamant vom Typ ›IIa‹ mit einer Dicke von fünfhundert Mikrometern und einer Fläche von vier mal vier Millimetern. Dieses Substrat wird mit einer dünnen Schicht überwachsen, in der die NV-Zentren für die Sensoranwendung probennah erzeugt werden.
In der Materialwissenschaft werden experimentelle Methoden zur Charakterisierung polykristalliner Materialien eingesetzt, um ein mikroskopisches Verständnis des makroskopischen Materialverhaltens zu erhalten. Dadurch wird es möglich, Materialien besser zu verstehen und ihre Eigenschaften zu optimieren. Die gängigen Methoden sind dabei jedoch meist auf lange Messzeiten und große Versuchsanlagen angewiesen. Oft sind auch Vakuumbedingungen oder hochenergetische Teilchen notwendig, die sich nachteilig auf das Probenmaterial auswirken können.
Die Weitfeld-Magnetometrie auf der Basis von NV-Zentren ist eine alternative, nichtinvasive Methode, die bei Raumtemperatur arbeitet. Dadurch ergeben sich neue Möglichkeiten für Einblicke in die mikroskopische Magnetfeldverteilung, was ein großes Potenzial für Materialanalysen birgt. Das System ist nicht auf anorganische Materialproben beschränkt, sondern lässt sich durch seine vergleichsweise geringen Ansprüche an die Messumgebung auch an organischen Proben anwenden. Diese Messeigenschaften, gepaart mit der hohen Messgeschwindigkeit der neuen Methode, ermöglichen sogar komplexe Messungen wie Fluktuationen, Wechselfelder und Wechselstrom-Messungen und ebnen den Weg für neuen Materialanalyseverfahren.
Fh.-IAF / RK
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