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.

Abb.: Das Weitfeld-Magneto­meter des Fraun­hofer-IAF bietet einen...
Abb.: Das Weitfeld-Magneto­meter des Fraun­hofer-IAF bietet einen einzig­artigen Kom­pro­miss aus Sensi­ti­vität, Auf­lösung und Ge­schwin­dig­keit. (Bild: Fh.-IAF)

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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