Hochpräzise Quantenmessung für industrielle Anwendungen
Forscher unserer Hochschule haben auf dem Technologie-Campus Steinfurt einen der weltweit kleinsten voll integrierten Quantensensoren auf Basis von Stickstoff-Vakanz-Zentren in Diamant entwickelt.
Der von Forschern der FH Münster entwickelte Sensor misst nur rund anderthalb Zentimeter Länge – und zählt zu den weltweit kleinsten voll integrierten NV-basierten Quantensensoren. (Foto: FH Münster/Jana Bade)
Doktorand Jens Pogorzelski vom Fachbereich Elektrotechnik und Informatik der FH Münster hatte die Idee für den neuen Forschungsansatz. (Foto: FH Münster/Jana Bade)
Die neue Technologie verzichtet unter anderem auf herkömmliche optische Aufbauten und setzt stattdessen auf Standardelektronikbauteile. Dadurch könne der Sensor leicht in einer kleinen Serie für industrielle Anwendungen hergestellt werden. (Foto: FH Münster/Jana Bade)
Die Quantenmagnetometrie gilt als vielversprechende Technologie, um sehr kleine mikro- oder nanoelektronische Bauelemente zerstörungsfrei prüfen und optimieren zu können. Sie basiert auf der sogenannten optisch detektierten magnetischen Resonanz (ODMR) von Stickstoff-Vakanz-Zentren in Diamanten. Derzeit ist die Herstellung dieser Quantensensoren noch sehr kostenintensiv, sodass sie primär in der Forschung eingesetzt werden. Wissenschaftler unserer Hochschule haben nun ein sehr kostengünstiges und kleines Gerät entwickelt, das den Weg für den breiten Einsatz von Quantenmagnetometern in industriellen Anwendungen ebnen könnte. Ihre Ergebnisse haben sie in der Fachzeitschrift „Sensors“ veröffentlicht.
„Nach unseren Recherchen ist der von uns entwickelte Quantensensor der derzeit weltweit kleinste voll integrierte Quantensensor auf Basis von Stickstoff-Vakanz-Zentren in Diamant-Mikrokristallen“, berichtet Doktorand Jens Pogorzelski vom Fachbereich Elektrotechnik und Informatik, der die Forschungsarbeit unter Federführung von Prof. Dr. Peter Glösekötter geleitet hat. Der gesamte Aufbau ist nur rund anderthalb Zentimeter lang, sieben Millimeter breit und vier Millimeter hoch. Das Besondere an dem Sensor: Er integriert eine Pumplichtquelle, eine Mikrowellenantenne, eine Filterung und eine Fluoreszenzerkennung (Photodiode). „Damit bietet der Sensor eine vollelektrische Schnittstelle, ohne dass optische Komponenten wie Linsen, Wellenleiter und dichroitische Spiegel eingestellt oder angeschlossen werden müssen“, erläutert Pogorzelski. Das mache ihn in der Handhabung deutlich unkomplizierter und robuster. Da zudem ausschließlich allgemein verfügbare Teile verwendet würden, könne der Sensor leicht in einer kleinen Serie hergestellt werden.
Stickstoff-Vakanz-Zentren – kurz NV-Zentren („nitrogen-vacancy center“) – sind absichtliche Verunreinigungen synthetischer Diamanten. Das heißt, dass das reine Kohlenstoffgitter durch Stickstoffatome verändert wird, wodurch der Diamant neue Eigenschäften bekommt. So sind NV-Zentren beispielsweise optisch aktiv und lassen den Kristall rot fluoreszieren, wenn er mit grünem Licht bestrahlt wird. Durch die Messung der Intensität der Fluoreszenz wiederum sind indirekt Rückschlüsse auf das Magnetfeld und dadurch auf die Stromstärke eines stromdurchflossenen Leiters möglich.
Glösekötter und sein Team forschen gemeinsam mit der Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Markus Gregor vom Fachbereich Physikingenieurwesen bereits seit Längerem an industrietauglichen Quantensensoren auf Basis von NV-Zentren. Anders als in Pogorzelskis Promotionsprojekt „OCQNV“ (Optische Wellenleiter- und CMOS-Schnittstelle für Quantensensoren mit NV-Zentren) entwickeln die Wissenschaftler beispielsweise im parallel laufenden Projekt „RaQuEl“ (Raumtemperatur-Quantensensorik für die Elektromobilität) Sensoren ohne Mikrowellen, deren Pluspunkt unter anderem das noch schlankere Design ist. „Mikrowellen regen die quantenmechanischen Zustände in NV-Zentren an. Dadurch lässt sich die magnetische Sensitivität präziser steuern und auslesen, was die Leistungsfähigkeit in Bereichen wie Quantencomputing signifikant verbessert“, erläutert Glösekötter den wesentlichen Unterschied der beiden Ansätze.