2019-04-01 21:58:01
用于工业应用的量子磁强计

2019年4月1日,弗劳恩霍夫协会推出灯塔项目“量子磁力计”(QMag):弗莱堡弗劳恩霍夫研究所的IAF,IPM和IWM希望将量子测量技术从大学研究领域转移到工业应用领域。该研究团队与另外三家弗劳恩霍夫研究所(IMM,IISB和CAP)密切合作,开发出具有最高空间分辨率和灵敏度的高度集成的成像量子磁强计。

灯塔项目QMag可以使用单个电子来检测最小的磁场。这允许在工业中使用磁力计,例如用于纳米电子电路的缺陷分析,用于检测隐藏的材料裂缝或实现特别紧凑的磁共振成像扫描仪(MRI)。 “我们的灯塔项目为德国作为经济地点开发具体的技术解决方案奠定了重要的战略重点.QMag为量子技术领域的弗劳恩霍夫灯塔铺平了道路。参与该项目的优秀科学家的雄心壮志是通过这种方式,可以实现量子磁力测量的革命性创新向工业应用的长期转移“,Fraunhofer总裁Reimund Neugebauer教授解释道。

QMag项目一直持续到2024年,由Fraunhofer-Gesellschaft和联邦巴登 - 符腾堡州共同创建,总额为1000万欧元。弗劳恩霍夫应用固体物理研究所IAF,弗劳恩霍夫物理测量技术研究所IPM和弗劳恩霍夫物质力学研究所IWM组成了QMag联盟的核心团队。 “项目合作伙伴的组合是QMag的独特特征。这使得弗莱堡成为工业上使用的量子传感器的领先研究地点 - 不仅在巴登 - 符腾堡州,而且在整个德国”,部长Nicole Hoffmeister-Kraut博士说。巴登 - 符腾堡州的经济事务。 Fraunhofer IAF负责灯塔项目的整体协调。

从经典到量子磁力学

磁力测量法有两个总体目标:高精度地测量磁场并且在最小尺度上测量磁场。磁强计已经被长时间使用 - 作为测量地球磁场,地质研究或分析硬盘驱动器中的纳米结构磁层以进行数据存储的指南针。在过去几十年中,磁场的科学和技术应用已经取得了许多突破,但是在室温下检测到具有最高空间分辨率的最小磁场已被证明是一项重大的科学挑战。

迄今为止,现有的磁传感器由于其高成本和所需的技术努力(例如冷却)而在工业应用中的用途有限。特别是对于仅由少量移动电子产生的场的成像,现有的磁力计在室温下不够灵敏并且不具有所需的空间分辨率。

两个互补系统,以应对挑战

QMag联盟的目标是将量子磁力测定从实验室应用到应用,并使其在工业中可用。为了做到这一点,弗劳恩霍夫研究所将开发两种互补的磁力计,能够在室温下测量最小空间分辨率和最高磁灵敏度的最小磁场和电流。

更具体地说,项目合作伙伴旨在展示和测试两个系统,这两个系统基于相同的物理测量原理和方法,但针对不同的应用:一方面,基于钻石NV中心的扫描探针磁力计将允许最高精度纳米电子电路的测量。另一方面,将实现基于高灵敏度光学泵浦磁力计(“OPM”)的测量系统,用于材料探测和过程分析中的应用。

基于NV中心的纳米级磁力测量

扫描探针磁力计能够在室温下测量具有最高空间分辨率的磁场。磁力计由金刚石晶体中的单原子空位复合物组成,其作为最小可能的磁体。钻石中的氮空位中心(“NV中心”)起着中心部分的作用。当两个相邻的碳原子被去除而一个被氮原子取代时,NV中心发展。然后,所产生的空位被氮原子的备用电子占据。该电子具有磁动量,该磁动势在被定向之后可以用作待测量的磁场的磁体。在Qmag内部,NV中心将被放置在钻石测量头的纳米级尖端。当该传感器尖端在扫描探针显微镜内移过样品时,可以以极高的空间分辨率测量局部磁场。以这种方式,考虑到即使最小的电子电流产生可以使用量子磁力计可视化的磁场,也可以使纳米电子电路中的电力分布可见。

“我们的目标是开发具有卓越感官特性,紧凑性和操作模式的量子磁强计,它可以实现创新的工业应用,并进一步简化未来复杂电子系统的发展”,项目经理Oliver Ambacher博士说。弗劳恩霍夫国际宇航联合会主任。

用于化学分析和材料测试的OPM

QMag的第二传感器系统使用碱性原子中的电子跃迁的磁场依赖性:光学泵浦磁力计(“OPM”)是用于测量极弱磁场的一类传感器。正如NV中心一样,OPM不需要极端冷却,因此适合工业应用。 QMag科学工作的重点在于开发基于现有磁力计原型的完整测量系统。

在OPM中,气相中的碱性原子借助于圆偏振激光束制备,使得它们的所有磁矩具有相同的取向。在测量的磁场内,磁矩经历同步进动,其可以通过吸收足够波长的激光束来测量。测量可以以如此高的精度进行,甚至可以检测到毫微微特斯拉范围的磁场 - 这大约是我们思考时脑电波产生的磁场大小。由于它们的灵敏度,OPM可以用作核磁共振信号(“NMR”)的检测器。 “在QMag,我们开发了基于现有单传感器原型的完整测量系统,这开辟了创新的应用场景,特别是在用于化学分析和材料测试的低场核磁共振领域”,Karsten Buse教授解释说。弗劳恩霍夫IPM。

此外,该联盟将实现材料力学关键应用的示范者。机械微裂纹的磁性检测是用于材料表征和部件测试的高度灵敏的工具,因此是非常相关的应用领域。 “OPM传感器在低频和室温下的高灵敏度为材料测试开辟了全新的应用可能性。微观材料缺陷可以根据其磁杂散场信号进行非破坏性测量”,Peter Gumbsch教授强调说。 ,弗劳恩霍夫IWM主任。

除了核心团队之外,另外三个弗劳恩霍夫研究所为量子技术关键部件的开发贡献了他们的科学和技术能力。该联盟由JörgWrachtrup教授(斯图加特大学)在钻石量子技术领域的学术专业知识和Svenja Knappe博士(弗莱堡大学与科罗拉多大学博尔德分校合作)的学术专业知识完成。在原子气体磁力测定领域。

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