Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF) hat auf der World of Quantum in München eine neuartige Entwicklung im Bereich der Quantenmagnetometrie vorgestellt. Das innovative, kompakte Quantenmagnetometer basiert auf Stickstoff-Fehlstellen in synthetischem Diamant und zeichnet sich durch eine hohe Robustheit sowie eine bisher unerreichte Sensitivität aus. Mit dieser Technologie können Magnetfelder im Pikotesla-Bereich präzise und kalibrationsarm gemessen werden, was weitreichende Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Bereichen eröffnet, darunter Biomedizin, Materialprüfung, Navigation und Geologie.
Ein zentrales Merkmal des neuen Vektormagnetometers ist seine Fähigkeit, die Vektorkomponenten des Erdmagnetfelds unter nahezu allen Einsatzbedingungen genau zu erfassen. Dies wird durch die spezielle Anordnung der NV-Zentren im Diamantgitter ermöglicht, die entlang der Kristallachsen angeordnet sind. Mit einem einzigen Sensorchip können alle Vektorkomponenten des Magnetfelds erfasst werden, was den Kalibrierungsaufwand erheblich reduziert und neue Anwendungen in Feldern ermöglicht, in denen herkömmliche Magnetometer an ihre Grenzen stoßen.
Die Forscher des Fraunhofer IAF haben die Größe ihres Quantenmagnetometers in nur einem Jahr um den Faktor 30 verkleinert. Der neue Sensorkopf hat nun eine kompakte Form, die mit der von herkömmlichen, industriell eingesetzten optisch gepumpten Gaszellen-Magnetometern vergleichbar ist, während die Sensitivität im Pikotesla-Bereich bleibt. Dies stellt einen bedeutenden Fortschritt dar, da das diamantbasierte System nicht nur robuster ist, sondern auch einen breiten Messbereich abdeckt, der in variablen Messszenarien flexibel eingesetzt werden kann.
Dr. Michael Stoebe, der Leiter der Quantenbauelemente am Fraunhofer IAF, hebt hervor: „Unser Ziel ist es, die Integrationsdichte weiter zu erhöhen und gleichzeitig die Sensitivität zu steigern. Wir planen, den Sensor im kommenden Jahr um den Faktor 5 weiter zu verkleinern und dabei Messungen im Subpikotesla-Bereich zu ermöglichen.“ Ein besonderes Merkmal des neuen Sensors ist die optionale Wasserkühlung, die auch unter extremen Einsatzbedingungen eine zuverlässige Messung von Magnetfeldern gewährleistet.
Neben der fortlaufenden Entwicklung des Sensors wird auch das zentrale Element, der NV-dotierte Diamantsensorkopf, kontinuierlich verbessert. Der synthetische Diamant wird in spezialisierten Reaktoren gezüchtet und durch kontrollierten Austausch von Kohlenstoffatomen mit Stickstoffatomen weiterverarbeitet. Die Forscher streben an, die Wafergrößen von derzeit zwei Zoll auf vier Zoll zu erhöhen, um die industrielle Skalierbarkeit zu verbessern.
Ein weiterer Anwendungsbereich, der durch das neue Quantenmagnetometer revolutioniert werden könnte, ist die Navigation. Der aktuelle Stand der Technik bei Navigationssystemen ist trotz fortschrittlicher Präzision oft anfällig für Störungen und nicht überall verfügbar. Der neu entwickelte Quantensensor ermöglicht die Erstellung umfassender Magnetfeldkarten und bietet eine zuverlässige, satellitenunabhängige Navigation. Dies ist besonders vorteilhaft in Gebieten, in denen GPS-Signale durch Umgebungsfaktoren beeinträchtigt werden, wie zum Beispiel unter Wasser, in Tunneln oder in städtischen Schluchten.
Zusätzlich ermöglicht das Quantenmagnetometer eine präzise und kontaktfreie Auffindung von unterirdischen Ressourcen, wie Mineralvorkommen, und kann auch zur Suche nach Blindgängern eingesetzt werden. Die Methode nutzt das Magnetfeld der Erde, um geologische Formationen zu analysieren und magnetische Anomalien zu identifizieren. Die gesammelten Daten können zur Erstellung magnetischer Karten verwendet werden, die wertvolle Informationen über die Lage, Tiefe und Form von Objekten liefern.
Das Fraunhofer IAF wird den neuesten Prototyp seines NV-Vektormagnetometers auf der World of Quantum 2025 vom 24. bis 27. Juni in München präsentieren. Das Institut ist bekannt für seine führende Rolle in der Forschung und Entwicklung von Quantenbauelementen und wird auch weiterhin innovative Lösungen für eine Vielzahl von Anwendungen entwickeln.
