Unsere Kompetenzen in der Quantensensorik

Quantensensoren erreichen in der Kombination von räumlicher Auflösung und Empfindlichkeit herausragende Eigenschaften. Verschiedene Sensorprinzipien lassen sich miteinander kombinieren und erlauben sehr kompakte Bauformen bis hin zum vollständigen System.

Quantensensoren auf Basis des Materials Diamant

Am Fraunhofer IAF entwickeln wir Quantensensoren auf Basis des Materials Diamant, die magnetische und elektrische Felder mit einer räumlichen Auflösung von wenigen Nanometern bis hin zu einzelnen Elektronen- und Kernspins nachweisen können. Aufgrund seiner herausragenden physikalischen Eigenschaften funktionieren Diamant-Quantensensoren bei Raumtemperatur – ideal für industrielle Anwendungen.

Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV-Zentren) in Diamant entstehen, wenn zwei benachbarte Kohlenstoff-Atome entfernt werden und eines durch ein Stickstoffatom ersetzt wird. In die Leerstelle fällt das überschüssige Elektron des Stickstoffatoms hinein. Dieses Elektron besitzt ein magnetisches Moment, welches nach seiner Orientierung als Tastmagnet genutzt werden kann – sogar bei Raumtemperatur.

Das Know-how des Fraunhofer IAF umfasst die gezielte Erzeugung von NV-Zentren in verschiedenen Dimensionen:

• Erzeugung eines einzelnen NV-Zentrums für die Quantenmagnetometrie (Rastersondenmikroskop) und für Einzelphotonenquellen
• Erzeugung von 2D-flächigen NV-Zentren in Diamant für die Hyperpolarisation
• Erzeugung von 3D-Volumenflächen mit NV-Zentren für die hochempfindliche Laserschwellenmagnetometrie

Am Fraunhofer IAF entwickeln wir Diamant mit einem einzelnen Stickstoff-Vakanz-Zentrum für die hochaufgelöste Rastersonden-Quantenmagnetometrie. Damit bietet sich erstmals die Möglichkeit, auf atomarer Ebene abbildende Magnetfeldverteilungen zu messen, die mit zuvor verfügbaren Verfahren nicht zugänglich sind. Es lassen sich z. B. die Stromflüsse von mikro- und nanoelektronischen Schaltungen hochauflösend darstellen, was für die Fehleranalyse von großem Nutzen ist. Außerdem können solche Quantensensoren für GPS-unabhängige Navigation genutzt werden, was beispielsweise Anwendungen für das autonome Fahren erschließt.

Für die Herstellung von Diamant-Magnetometerspitzen kann das Fraunhofer IAF auf eine exzellente Reinrauminfrastruktur zurückgreifen, die halbindustrielle Herstellungsprozesse erlaubt. Neben hochmodernen Lithographietools wurde in der trockenchemischen Strukturierung von poly- und einkristallinem Diamant ein vertieftes Know-how aufgebaut. In den letzten Jahren konzentrierte sich die Entwicklung am IAF zunehmend auf die Homoepitaxie von extrem reinem Diamant inklusive isotopenreiner ¹²C-Diamantschichten sowie die p- und n-Dotierung von Diamant. Im Bereich NV-Zentren in Diamant wurden die Technologie zur gezielten Erzeugung dieser Zentren an definierten Stellen in Diamantspitzen entwickelt sowie Trockenätzverfahren für die Herstellung der Diamantspitzen perfektioniert. Gerade diese Fähigkeit zur Einstellung eines definierten Ladungszustandes ist ein Schlüssel für die Realisierung zuverlässiger Quantensensoren auf Basis von NV-Zentren in Diamant.

Wir entwickeln Volumen von NV-dotiertem Diamant für die Laserschwellenmagnetometrie. Dies ist ein weltweit neuer Forschungsansatz, bei dem ein Material als Lasermedium eingesetzt wird, das über eine optisch detektierbare magnetische Resonanz verfügt. Aufgrund seiner Materialeigenschaften ist Diamant mit einer hohen Dichte an NV-Zentren für den Einsatz als Lasermedium besonders geeignet. Theoretisch können damit höhere Signale und ein höherer Kontrast erzielt werden, was zu wesentlich präziseren Messergebnissen führt. Am Fraunhofer IAF wird an der Umsetzung des Konzepts seit zwei Jahren gearbeitet. Dabei kommen dem IAF die Synergie der drei Kernkompetenzen Diamantwachstum, Optoelektronik bzw. Laser-Technologie und Hochfrequenzelektronik zugute. Mit dem Laserschwellenmagnetometer sollen kleinste Magnetfelder, wie sie z. B. in neuronalen Netzen oder durch Gehirnströme entstehen, gemessen und so der medizinischen Diagnostik neue Türen geöffnet werden.