Die mikroskopische Abbildung von Magnetfeldern, ermöglicht durch Quantensensorik, ermöglicht die Messung des einzigartigen magnetischen Fingerabdrucks von Objekten. Dies öffnet die Tür für grundlegend neue Anwendungen in verschiedenen Bereichen wie der Materialprüfung oder der Biomedizin.
Mit einem verbesserten Weitfeldmagnetometer hat das Fraunhofer IAF ein innovatives Verfahren unter Nutzung schneller Kamerabilder entwickelt. Das System bietet einen einzigartigen Kompromiss aus Empfindlichkeit, Auflösung und Geschwindigkeit. Es wird präsentiert unter LASER World of QUANTUM 2023vom 27. bis 30. Juni in München im Rahmen des Quantum Sensing Hub Freiburg, in dem die Institute Fraunhofer IAF, IPM und IWM ihre Kompetenzen auf dem Gebiet der Quantenmagnetometrie bündeln.
Forschern des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF ist es gelungen, das große Potenzial der Quantensensorik auf Basis von Stickstoff-Leerstellen-Zentren (NV) in einem einzigartigen Messaufbau zu nutzen. Ihr Weitfeldmagnetometer ermöglicht die schnelle Messung des magnetischen Streufeldes einer Probe über einen großen Bereich. Seine hohe Messgenauigkeit zeichnet sich durch eine Auflösung bis in den Nanometerbereich aus und ist absolut quantifizierbar.
Diese Messmethode eröffnet neue Wege in der Messtechnik und eignet sich aufgrund ihres breiten Anwendungsspektrums von anorganischen bis hin zu organischen Proben für verschiedene Branchen wie die (Nano-)Elektronik, die Materialwissenschaften oder die Biomedizin.
Das innovative Messsystem wurde im Rahmen des Fraunhofer-Leitprojekts QMag entwickelt. Im Zuge des Projekts ist in Freiburg im Breisgau eine geballte Magnetometrie-Kompetenz und -Infrastruktur an den drei Instituten Fraunhofer IAF, IPM und IWM entstanden, die gemeinsam den Quantum Sensing Hub Freiburg bilden.
Magnetometrie mit Diamant
Die Weitfeldmagnetometrie basiert auf NV-Zentren in dünnen Diamantfilmen und ist ein junger Ansatz in der Quantensensorik. Der am Fraunhofer IAF entwickelte Messaufbau nutzt einen Arbitrary Waveform Generator (AWG), der Mikrowellenstrahlung erzeugt und einen Laser sowie das Aufnahmezeitfenster einer Kamera nanosekundengenau ansteuert. Durch die Verwendung unterschiedlicher Messprotokolle wird eine hohe Flexibilität und Präzision der Messungen ermöglicht.
„Das Weitfeldmagnetometer profitiert nicht nur von unserem verbesserten Aufbau, sondern auch von dem am Fraunhofer IAF entwickelten Wachstumsprozess für Diamantplättchen, die wir als Sensoren nutzen“, erklärt Dr. Jan Jeske, stellvertretender Geschäftsfeldleiter Quantengeräte am Fraunhofer IAF . Die am Institut gezüchteten Substrate basieren auf (100)-orientiertem, reinem, undotiertem Diamant vom Typ „IIa“ mit einer Dicke von 500 μm und einer Fläche von 4 x 4 mm. Dieses Substrat wird mit einer dünnen Schicht überzogen, in der nahe der Probe die NV-Zentren für die Sensoranwendung erzeugt werden.
Messvorteile des Weitfeldmagnetometers
In der Materialwissenschaft werden experimentelle Methoden zur Charakterisierung polykristalliner Materialien eingesetzt, um ein mikroskopisches Verständnis des makroskopischen Materialverhaltens zu erhalten. Dadurch ist es möglich, Materialien besser zu verstehen und ihre Eigenschaften zu optimieren. Aktuelle Methoden sind jedoch meist auf lange Messzeiten und große Versuchsanlagen angewiesen. Oftmals sind auch Vakuumbedingungen oder hochenergetische Partikel notwendig, die sich nachteilig auf das Probenmaterial auswirken können.
Die auf NV-Zentren basierende Weitfeldmagnetometrie ist eine alternative, nicht-invasive Methode, die bei Raumtemperatur funktioniert. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für Einblicke in die mikroskopische Magnetfeldverteilung, die großes Potenzial für Materialanalysen haben. Das System ist nicht auf anorganische Materialproben beschränkt, sondern kann aufgrund seiner vergleichsweise geringen Anforderungen an die Messumgebung auch auf organische Proben angewendet werden. Diese Messeigenschaften, gepaart mit der hohen Messgeschwindigkeit der am Fraunhofer IAF entwickelten Methode, ermöglichen auch komplexe Messungen wie Schwankungen, Wechselfelder und Wechselstrommessungen – und ebnen den Weg für neue Methoden der Materialanalyse.
Bereitgestellt vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF