QMag: Quantenmagnetometrie

Projektbeschreibung

Die Magnetometrie hat zum Ziel, Magnetfelder hochpräzise und auf kleinster Skala zu messen. Magnetometer werden schon lange intensiv genutzt – sei es als Kompass zum Nachweis des Erdmagnetfelds, für geologische Untersuchungen oder zur Analyse der nanostrukturierten Magnetschichten in Computer-Festplatten für die Datenspeicherung. In der wissenschaftlichen und technischen Nutzung von Magnetfeldern gab es in den letzten Jahrzehnten vielfältige Durchbrüche, allerdings stellt die Detektion kleinster Magnetfelder mit höchster Ortsauflösung bei Raumtemperatur bis heute eine große wissenschaftliche Herausforderung dar.

Heutige Magnetometer verfügen für viele künftige Applikationen über eine zu geringe räumliche Auflösung oder Sensitivität. Die bislang verfügbaren Magnetsensoren sind zudem für den industriellen Einsatz nur bedingt geeignet, da ihr Betrieb mit hohen Kosten und technischem Aufwand, wie etwa einer extremen Kühlung, verbunden ist.

Um die Quantenmagnetometrie aus dem Labor in die Anwendung zu bringen und in der Industrie nutzbar zu machen, hat das QMag-Konsortium zwei komplementäre Magnetometer entwickelt, die kleinste magnetische Felder und Ströme mit höchster räumlicher Auflösung beziehungsweise höchster magnetischer Empfindlichkeit bei Raumtemperatur messen können. Die beiden Systeme beruhen auf den gleichen physikalischen Messprinzipien und -methoden, steuern jedoch unterschiedliche Anwendungen an: Zum einen wurden Stickstoff-Vakanz-Zentren in Diamant (NV-Zentren), die als kleinste Tastmagneten in einem bildgebenden Rastersondenmagnetometer fungieren, genutzt. Damit wird ein einzelnes atomares System zu einem hochempfindlichen Sensor, der bereits bei Raumtemperatur betrieben werden kann. Zum anderen wurden höchstsensitive optisch gepumpte Magnetometer (OPMs) entwickelt, die die Magnetfeldabhängigkeit der optischen Eigenschaften von Alkali-Atomen nutzen. 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.

Beide Technologien funktionieren bei Raumtemperatur und eignen sich für die industrielle Anwendung. Insbesondere in der Materialprüfung konnten die Forschenden beeindruckende Ergebnisse demonstrieren: Sie haben gezeigt, dass die Quantenmagnetometer bereits Veränderungen im Magnetfeld der Proben detektieren, wenn die Materialermüdung noch nicht sichtbar ist.

Teilvorhaben Fraunhofer IWM

Die Forschenden am Fraunhofer IWM 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.

Außerdem wurden mikromagnetische Simulationen durchgeführt, die Materialdefekte auf der Oberfläche, Hohlräume oder Einschlüsse in der Größe weniger Dutzend Nanometer zum Thema hatten. Die Amplitude und Signalform wurde für die genannten Defekte berechnet. Dies erlaubt eine Abschätzung, welche Defekte in welcher Größe bei welcher Oberflächenrauhigkeit noch detektierbar sind.

Weitere Details finden Sie in folgender Publikation:

Körner, W.; Urban, D.; Elsässer, C., Theoretical limits of magnetic detection of structural surface defects at the nanometre scale, Nondestructive Testing and Evaluation (2024) 16 Seiten Link