Forschenden des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF ist es gelungen, in einem weltweit einzigartigen Messaufbau das große Potenzial der Quantensensorik basierend auf Stickstoffvakanz-(NV-)Zentren zu nutzen. 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.

Das innovative Messsystem wurde im Zuge des Fraunhofer-Leitprojekts »QMag« entwickelt, das zu gleichen Teilen durch die Fraunhofer-Gesellschaft und das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg gefördert wird. Im Zuge des Projekts hat sich in Freiburg im Breisgau eine konzentrierte Magnetometrie-Expertise und -Infrastruktur an den drei Instituten Fraunhofer IAF, IPM und IWM entwickelt, die gemeinsam den Quantum Sensing Hub Freiburg bilden.

Das Weitfeld-Magnetometer wird auf der diesjährigen LASER World of QUANTUM in München vom 27. bis 30. Juni präsentiert. Das Messsystem ist Teil des Quantum Sensing Hub Freiburgs, der sich auf dem Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Gesellschaft vorstellt.

Magnetometrie mit Diamant

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 (AWG), 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 Dr. 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 500 μm und einer Fläche von 4 x 4 mm. Dieses Substrat wird mit einer dünnen Schicht überwachsen, in der die NV-Zentren für die Sensoranwendung probennah erzeugt werden.

Messvorteile des Weitfeld-Magnetometers

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, nicht-invasive Methode, die bei Raumtemperatur arbeitet. Dadurch ergeben sich neue Möglichkeiten für Einblicke in die mikroskopische Magnetfeldverteilung, was ein großes Potential 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 am Fraunhofer IAF entwickelten Methode, ermöglichen sogar komplexe Messungen wie Fluktuationen, Wechselfelder und Wechselstrom-(AC-)Messungen und ebnen den Weg für neuen Materialanalyseverfahren.

Quantum Sensing Hub Freiburg

Der Quantum Sensing Hub Freiburg konzentriert die Quantensensorik-Expertise und ‑Infrastruktur der drei Freiburger Institute Fraunhofer IAF, IPM und IWM. Er bietet neue Ansätze, Lösungen und Anwendungen im Bereich der Quantensensoren und Sensorsysteme für Kunden und Partner aus Industrie und Forschung. Im Fokus stehen zwei Klassen von Quantenmagnetometern mit komplementären Eigenschaften: Magnetometer auf der Grundlage von NV-Zentren in Diamant und optisch gepumpte Magnetomter (optically pumped magnetometers, OPMs) basierend auf Alkali-Atomen.

Quantenmagnetometrie auf der LASER World of QUANTUM 2023

Auf der LASER World of QUANTUM, die vom 27. bis zum 30. Juni 2023 in München parallel zur LASER World of PHOTONICS stattfindet, präsentieren die Institute Fraunhofer IAF, IPM und IWM ihre konsolidierte Expertise im Bereich der Quantenmagnetometrie. Dabei stellt das Fraunhofer IAF sein Weitfeld-Magnetometer erstmals der interessierten Öffentlichkeit vor. Der Quantum Sensing Hub Freiburg ist Teil des Fraunhofer-Gemeinschaftsstands 523 in Halle A1.