Разработаны квантовые магнитометры для промышленного применения

Прочитано: 230 раз(а)
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (1 голосов, среднее: 5,00 из 5)
Loading ... Loading ...


1 апреля 2019 года Fraunhofer-Gesellschaft запускает проект маяка «Квантовая магнитометрия» (QMag): Фрайбургские институты Фраунгофера IAF, IPM и IWM хотят перенести квантовую магнетометрию из области университетских исследований в промышленные приложения. В тесном сотрудничестве с тремя другими институтами Фраунгофера (IMM, IISB и CAP) исследовательская группа разрабатывает высокоинтегрированные квантовые магнитометры для визуализации с высоким пространственным разрешением и чувствительностью.

Проект маяка QMag позволяет использовать одиночные электроны для обнаружения мельчайших магнитных полей. Это позволяет использовать магнитометры в промышленности, например, для анализа дефектов наноэлектронных цепей, для обнаружения скрытых трещин материала или для реализации особенно компактных сканеров магнитно-резонансной томографии (МРТ). «Наши проекты маяков устанавливают важные стратегические приоритеты для разработки конкретных технологических решений для Германии в качестве экономического местоположения. QMag прокладывает путь к маяку Фраунгофера в области квантовых технологий. Амбиция превосходных ученых, участвующих в проекте, заключается в том, чтобы значительно совершенствовать технологию и определять ее на международном уровне. Таким образом, может быть достигнут долгосрочный переход революционных инноваций квантовой магнитометрии к промышленным применениям «.

Проект QMag действует до 2024 года и основан Fraunhofer-Gesellschaft и федеральной землей Баден-Вюртемберг на общую сумму 10 миллионов евро в равных долях. Институт прикладной физики твердого тела им. Фраунгофера IAF, Институт физических измерений Фраунгофера IPM и Институт механики материалов им. Фраунгофера IWM образуют основную команду консорциума QMag. «Объединение партнеров по проекту является исключительно уникальной особенностью QMag. Это делает Фрайбург ведущим исследовательским центром для промышленных квантовых датчиков — не только в Баден-Вюртемберге, но и по всей Германии», — говорит д-р Николь Хоффмайстер-Краут, министр Экономические вопросы в Баден-Вюртемберге. Фраунгофер IAF отвечает за общую координацию проекта маяка.

От классической до квантовой магнитометрии

Магнитометрия преследует две основные цели: измерять магнитные поля с высокой точностью и в наименьшем масштабе. Магнитометры интенсивно использовались в течение длительного времени — в качестве компасов для измерения магнитного поля Земли, для геологических исследований или для анализа наноструктурированных магнитных слоев в жестких дисках для хранения данных. За последние десятилетия были сделаны многочисленные прорывы в научном и техническом использовании магнитных полей, однако обнаружение самых маленьких магнитных полей с самым высоким пространственным разрешением при комнатной температуре оказалось большой научной проблемой.

На сегодняшний день существующие магнитные датчики имеют ограниченное применение для промышленного применения из-за их высокой стоимости и необходимых технических усилий, таких как охлаждение. Специально для визуализации полей, создаваемых только несколькими движущимися электронами, существующие магнитометры недостаточно чувствительны при комнатной температуре и не обладают требуемым пространственным разрешением.

Две взаимодополняющие системы для решения задач

Консорциум QMag поставил перед собой задачу перенести квантовую магнитометрию из лаборатории в область применения и сделать ее пригодной для использования в промышленности. Для этого институты Фраунгофера разработают два дополнительных магнетометра, которые способны измерять наименьшие магнитные поля и токи с самым высоким пространственным разрешением, соответственно с самой высокой магнитной чувствительностью, при комнатной температуре.

В частности, партнеры проекта стремятся продемонстрировать и протестировать две системы, основанные на одном физическом принципе и методе измерения, но предназначенные для разных применений: С одной стороны, сканирующий зондовый магнитометр на основе NV-центров в алмазе обеспечит высочайшую точность измерения наноэлектронных цепей. С другой стороны, будут реализованы измерительные системы на основе высокочувствительных магнитометров с оптической накачкой («ОПМ») для применений в области исследования материалов и анализа процессов.

Наноразмерная магнитометрия на основе NV-центров

Сканирующий зондовый магнитометр способен измерять магнитные поля с самым высоким пространственным разрешением при комнатной температуре. Магнитометр состоит из отдельных атомных вакансионных комплексов в кристаллах алмаза, которые функционируют как наименьший возможный магнит. Центральную роль играет азотный вакансионный центр («NV center») в алмазе. NV-центр развивается, когда удаляются два соседних атома углерода, а один заменяется атомом азота. Получающаяся вакансия тогда занята запасным электроном атома азота. Этот электрон обладает магнитным импульсом, который после ориентации можно использовать в качестве магнита для магнитного поля, которое должно быть измерено. В Qmag NV-центр будет помещен в наноразмерный наконечник алмазной измерительной головки. Когда этот наконечник датчика перемещается по образцу в сканирующем зондовом микроскопе, локальные магнитные поля могут быть измерены с чрезвычайно высоким пространственным разрешением. Таким образом, распределение электричества в наноэлектронных цепях можно сделать видимым, учитывая, что даже самый маленький электронный ток создает магнитное поле, которое можно визуализировать с помощью квантового магнитометра.

«Нашей целью является разработка квантовых магнитометров с исключительными сенсорными характеристиками, компактностью и режимом работы, которые обеспечивают инновационные промышленные применения и, кроме того, упрощают эволюцию сложных электронных систем в будущем», — говорит профессор доктор Оливер Амбахер, менеджер проекта и директор Фраунгофера IAF.

ОПМ для химической аналитики и испытаний материалов

Вторая система датчиков QMag использует зависимость электронных переходов в щелочных атомах от магнитного поля : магнитометры с оптической накачкой («ОПМ») представляют собой категорию датчиков, которые используются для измерения чрезвычайно слабых магнитных полей. Как и NV-центры, OPM не требуют экстремального охлаждения и поэтому пригодны для промышленного использования. В центре внимания научной работы QMag лежит разработка комплексных измерительных систем на основе существующих прототипов магнитометров.

В ОПМ атомы щелочи в газовой фазе готовятся с помощью кругового поляризованного лазерного луча, так что все их магнитные моменты имеют одинаковую ориентацию. Внутри измеренных магнитных полей магнитные моменты испытывают синхронную прецессию, которая может быть измерена посредством поглощения лазерного луча соответствующей длины волны. Измерение может быть выполнено с такой высокой точностью, что даже магнитные поля диапазона Фемто-Теслы могут быть обнаружены — это примерно размер магнитных полей, которые наши мозговые волны создают, пока мы думаем. Благодаря своей чувствительности OPM могут использоваться в качестве детекторов сигналов ядерного магнитного резонанса («ЯМР»). «В QMag мы разрабатываем комплексные измерительные системы на основе существующих прототипов с одним датчиком, что открывает инновационные сценарии применения,

Кроме того, консорциум будет реализовывать демонстраторы для ключевых приложений для механики материалов. Магнитное обнаружение механических микротрещин является высокочувствительным инструментом для определения характеристик материалов и испытаний компонентов и, следовательно, очень важной областью применения. «Высокая чувствительность датчиков OPM на низких частотах и ​​при комнатной температуре открывает совершенно новые возможности применения для тестирования материалов. Дефекты микроскопических материалов можно измерять неразрушающим образом на основе их сигналов магнитного поля рассеяния», подчеркивает профессор д-р Питер Гумбш директор Fraunhofer IWM.

Наряду с основной командой, три дополнительных института Фраунгофера вносят свой научно-технический вклад в разработку ключевых компонентов квантовой технологии. Консорциум дополняется академическим опытом профессора доктора Йорга Врахтрупа (Университет Штутгарта) в области квантовых технологий на основе алмаза и профессора доктора Свенья Кнаппе (Университет Фрайбурга в сотрудничестве с Университетом Колорадо в Боулдере) в области атомной газовой магнитометрии.

Разработаны квантовые магнитометры для промышленного применения



Новости партнеров