Quantensensoren eröffnen völlig neue Möglichkeiten, Materialermüdung auf atomarer Ebene zu erkennen, lange bevor konventionelle Verfahren Schäden sichtbar machen. Um das Potenzial zu heben, muss die quantenmechanische Kohärenz der Sensorsubstrate gewährleistet sein. Die Kopplung zwischen Sensor und Prüfkörper muss mechanische Robustheit mit quantenphysikalischer Sensitivität vereinen. Wir erforschen Herausforderungen wie diese, für die Bauteilsicherheit von morgen.
Das Projekt Next Level LandBW 2024/25 erschließt neue Wege der zerstörungsfreien Materialprüfung – mit Quantensensorik auf höchstem technologischem Niveau. Mit ultrahochempfindlichen NV-Diamantsensoren und optisch gepumpten Magnetometern (OPM) werden magnetische Strukturen im Mikrobereich sichtbar, die bisher verborgen blieben. Ziel ist es, magnetische "Fingerabdrücke" von Materialien zu erfassen, als Ausgangspunkte für Materialverbesserungen und Methoden zur Ermüdungserkennung, -vorhersage und -prävention.
Projektprofil: Next Level LandBW 2024/25 – Quantensensorik in Materialcharakterisierung und -prüfung - Fraunhofer IWM
Im Verbundvorhaben SiQuRe wurde mit quantenphysikalischen Modellen und Simulationsberechnungen untersucht, inwieweit sich als Qubits adressierbare Farbzentren in Diamantkristallen in einer größeren Anzahl regelmäßig anordnen und als Qubit-Register für den Aufbau von Quantencomputern nutzen lassen.
Im Folgeprojekt SiQuRe II wurden die Bedingungen für robuste Quantenzustände in gekoppelten Spinsystemen aus NV-Zentren und 13C Atomen erforscht, um deren Potenzial als Qubits für festkörperbasierte Quantencomputer zu erschließen. Ziel war es, essenzielle Quanteneigenschaften zu charakterisieren und die Skalierbarkeit dieser Systeme zu analysieren.
Aus beiden Projekten resultieren belastbare Aussagen darüber, welche Quanteneigenschaften bei welcher Registergröße unter realistischen Materialbedingungen kontrolliert erreichbar sind und welche Anforderungen daraus an die Materialqualität und Prozesstechnologie folgen.
Projektprofil: SiQuRe: Modellierung und Simulation von Qubit-Registern aus Ketten von NV-Zentren auf Versetzungen in Diamant - Fraunhofer IWM
Projektprofil: SiQuRe II: Modellierung und Simulation von NV-basierten Qubit-Registern - Fraunhofer IWM
Stability and electronic structure of NV-centers at dislocation cores in diamond, R. Ghassemizadeh, W. Körner, D. F. Urban, C. Elsässer, Phys. Rev. B 106,174111 (2022) Link
Coherence properties of NV-center ensembles in diamond coupled to an electron-spin bath, R. Ghassemizadeh, W. Körner, D. F. Urban, C. Elsässer, Phys. Rev. B 110, 205148 (2024) Link
Spin coherence in strongly coupled spin baths in quasi-two-dimensional layers, P. Schätzle, R. Ghassemizadeh, D. F. Urban, T. Wellens, P. Knittel, F. Reiter, J. Jeske, and W. Hahn, Phys. Rev. B 110, L220302 (2024) Link
Das Projekt QMag bringt Quantenmagnetometrie aus dem Forschungslabor in die industrielle Anwendung. Entwickelt wurden zwei bildgebende Sensorlösungen, die selbst kleinste Magnetfelder mit höchster Auflösung bei Raumtemperatur messen können – ein Meilenstein für die zerstörungsfreie Materialprüfung. Während NV-Zentren in Diamantatomgittern mikroskopisch genaue Magnetfeldbilder liefern, ermöglichen optisch gepumpte Magnetometer (OPMs) die Detektion feinster Veränderungen im Materialzustand – noch bevor erste Schäden sichtbar werden. Am Fraunhofer IWM konnten so frühzeitig Ermüdungserscheinungen in Werkstoffen erkannt und mit Simulationen gezielt analysiert werden. Mit mikromagnetischen Simulationen wurde berechnet, in welcher Größe bei welcher Oberflächenrauhigkeit Materialdefekte an der Oberfläche, Hohlräume oder Einschlüsse in der Größe weniger Dutzend Nanometer noch detektierbar sind. Ob in der Chipfertigung, Biomedizin oder Prozessüberwachung – Quantenmagnetometrie eröffnet neue Wege für Präzision, Sicherheit und Effizienz in Hightech-Branchen.
Projektprofil: QMag - Fraunhofer IWM
Theoretical limits of magnetic detection of structural surface defects at the nanometer Scale, W. Körner, D. F. Urban, and C. Elsässer Körner, Nondestructive Testing and Evaluation, pp. 1–15. doi: 10.1080/10589759.2024.2363282 (2024) Link
Influence of extended defects on the formation energy, the hyperfine structure, and the zero-field splitting of NV centers in diamond, W. Körner, D.F. Urban, and C. Elsässer, Phys. Rev. B 103, 085305 (2021) Link
Influence of (N,H)-terminated surfaces on stability, hyperfine structure, and zero-field splitting of NV centers in diamond, W. Körner, R. Ghassemizadeh, D. F. Urban, and C. Elsässer, Phys. Rev. B 105, 085305 (2022) Link
Stability and electronic structure of NV-centers at dislocation cores in diamond, R. Ghassemizadeh, W. Körner, D. F. Urban, C. Elsässer, Phys. Rev. B 106,174111 (2022) Link
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM