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Innovative Ansätze, Lösungen und Anwendungen von Quantensensoren: Im Quantum Sensing Hub Freiburg konzentrieren die drei Institute Fraunhofer IAF, IPM und IWM ihre Forschungsinfrastruktur und Expertise.
Bei der Entwicklung von Quantenmagnetometern verfolgt der Quantum Sensing Hub Freiburg zwei komplementäre Ansätze: Magnetometer auf Grundlage von auf optisch gepumpten Alkaliatomen (optically pumped alkali atoms, OPMs) und auf Grundlage von Stickstoff-Vakanz-Zentren (nitrogen-vacancy centers, NV-Zentren) in Diamant. Unser gebündeltes Know-how über die Quantenmagnetometrie der nächsten Generation ermöglicht uns die Entwicklung und Realisierung von anwendungsspezifischen Messsystemen.
NV-Zentren sind einzelne atomare Systeme, die als hochempfindliche Sensoren fungieren. Ihr einzigartiger Vorteil ist, dass sie bei Raumtemperatur und auf Hintergrundfeldern betrieben werden können. Sie ermöglichen eine extrem hohe räumliche Auflösung und werden in verschiedenen bildgebenden Messverfahren eingesetzt.
In OPMs werden Alkaliatome als Sonden für das Magnetfeld verwendet. Mit Laserlicht werden alle Atome in den gleichen Zustand gebracht. In einem äußeren Magnetfeld erfahren die Atome dann eine synchrone Larmorpräzession. Ihre Frequenz ist proportional zum lokalen Magnetfeld. Im Grundbetrieb kann dieses Präzessionssignal optisch ausgelesen werden und liefert ein kalibrierungsfreies Maß für das Magnetfeld.
In der empfindlichsten Konfiguration erreichen (und übertreffen) OPMs die Empfindlichkeit von kryogen gekühlten SQUID-Magnetometern und können zum Nachweis von magnetischen Signalen des Gehirns verwendet werden. Aufgrund der hochempfindlichen Messung ist eine Abschirmung gegen magnetisches Umgebungsrauschen erforderlich, um die höchste Sensitivität zu erreichen.
| Sensor-Prinzip | Sensitivität | räumliche auflösung |
|---|---|---|
| Verfügbare Systeme | ||
| Optisch gepumptes Magnetometer (OPM) | < 15 fT/√Hz | < 5 mm |
| Rastersonden-Magnetometer (NV) | < 10 μT | < 30 nm |
| Weitfeld-Magnetometer (NV) | < 10 μT | < 1 μm |
| In Entwicklung | ||
| Laserschwellen-Magnetometer | 1 fT/√Hz–30 pT/√Hz | 100 μm–1 mm |
| OPM-basierte Kamera (1000 Pixel) | 25 pT/√Hz | 100 µm |
| HF-Sensoren (NV) | 0,1–10 GHz | < 1 μm |
Mit unserer einzigartigen Infrastruktur bieten wir den idealen Ausgangspunkt für Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet der Quantenmagnetometrie. Die Einsatzgebiete unserer Technologien und Messsysteme reichen von der Materialcharakterisierung über die industrielle Prozessüberwachung, die Prüfung von Raumfahrt-Equipment oder Nanoelektronik bis hin zu biomedizinischen Anwendungen.
Unsere Partner aus Wissenschaft und Industrie haben die Möglichkeit, das innovative Potenzial von Quantensensoren für ihre spezifischen Anforderungen zu evaluieren. Mit unserer breiten Palette an hochauflösenden und hochempfindlichen Messsystemen haben wir die Quantensensorik-Lösung für Ihre individuellen Mess- oder Entwicklungsanforderungen.
»Die hohe Empfindlichkeit der OPMs ermöglicht uns die Entwicklung neuartiger Magnetometrie-Anwendungen für die Prozessanalyse, die Materialprüfung und für Raumfahrtanwendungen.«
Dr. Peter Koss
Gas- und Prozesstechnologie
Fraunhofer IPM
»Mit ihren einzigartigen Eigenschaften hat Magnetometrie auf Basis von NV-Zentren das Potenzial, die magnetische Charakterisierung von industriellen Materialien einen großen Schritt weiter zu bringen.«
Niklas Mathes
Quantensensorik
Fraunhofer IAF
»Die Bildgebung magnetischer Streufelder auf der Nano- bis Mikrometerskala kann die Erstellung neuartiger, verfeinerter Materialmodelle ermöglichen.«
Dr. Simon Philipp
Meso- und Mikromechanik
Fraunhofer IWM
»Im Quantum Sensing Hub Freiburg arbeiten wir gemeinsam mit Partnern und Kunden an der Entwicklung innovativer technologischer Anwendungen.«
Deborah Mohrmann
Business Development
Fraunhofer IAF
Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF