Em 1º de abril de 2019, o Fraunhofer-Gesellschaft lança o projeto do farol "Magnetometria Quântica" (QMag):institutos Fraunhofer IAF de Freiburg, O IPM e o IWM desejam transferir a magentometria quântica do campo da pesquisa universitária para aplicações industriais. Em estreita cooperação com três outros institutos Fraunhofer (IMM, IISB e CAP), a equipe de pesquisa desenvolve magnetômetros quânticos de imagem altamente integrados com a mais alta resolução espacial e sensibilidade.

O projeto farol QMag permite o uso de elétrons únicos para detectar os menores campos magnéticos. Isso permite o uso de magnetômetros na indústria, por exemplo, para análise de defeitos de circuitos nanoeletrônicos, para a detecção de fissuras ocultas de material ou para realizar scanners de imagem por ressonância magnética (MRI) especialmente compactos. "Nossos projetos de faróis estabelecem prioridades estratégicas importantes para desenvolver soluções tecnológicas concretas para a Alemanha como um local econômico. QMag abre caminho para um farol Fraunhofer no campo da tecnologia quântica. A ambição dos excelentes cientistas que participam do projeto é significativamente melhorar a tecnologia e defini-la internacionalmente. Desta forma, uma transferência de longo prazo das inovações revolucionárias da magnetometria quântica para aplicações industriais pode ser alcançada ", explica o presidente da Fraunhofer, Prof. Reimund Neugebauer.

O projeto QMag vai até 2024 e é fundado com um total de € 10 milhões de euros em partes iguais pela Fraunhofer-Gesellschaft e pelo estado federal de Baden-Württemberg. Instituto Fraunhofer de Física Aplicada do Estado Sólido IAF, o Instituto Fraunhofer de Técnicas de Medição Física IPM e o Instituto Fraunhofer de Mecânica de Materiais IWM formam a equipe principal do consórcio QMag. "A combinação dos parceiros do projeto é uma característica excepcionalmente única do QMag. Isso torna Freiburg o principal local de pesquisa para sensores quânticos usados ​​industrialmente - não apenas em Baden-Württemberg, mas em toda a Alemanha ", diz a Dra. Nicole Hoffmeister-Kraut, Ministro da Economia de Baden-Württemberg. Fraunhofer IAF é responsável pela coordenação geral do projeto do farol.

Da magnetometria clássica à quântica

A magnetometria tem dois objetivos gerais:medir campos magnéticos com alta precisão e na menor escala. Os magnetômetros têm sido usados ​​intensamente por um longo tempo - como bússolas para medir o campo magnético da Terra, para estudos geológicos ou para analisar camadas magnéticas nanoestruturadas em discos rígidos para armazenamento de dados. Tem havido inúmeros avanços no uso científico e tecnológico de campos magnéticos durante as últimas décadas, ainda assim, a detecção dos menores campos magnéticos com a maior resolução espacial em temperatura ambiente provou ser um grande desafio científico.

A data, os sensores magnéticos existentes são de uso limitado para aplicações industriais devido aos seus altos custos e ao esforço técnico necessário, como resfriamento. Especialmente para a imagem de campos criados por apenas alguns elétrons em movimento, magnetômetros existentes não são sensíveis o suficiente à temperatura ambiente e não possuem a resolução espacial necessária.

Dois sistemas complementares para enfrentar os desafios

O consórcio QMag estabeleceu para si próprio o objetivo de levar a magnetometria quântica do laboratório para a aplicação e torná-la utilizável na indústria. Para fazer isso, os Institutos Fraunhofer desenvolverão dois magentômetros complementares que são capazes de medir os menores campos magnéticos e correntes com a maior resolução espacial, respectivamente a maior sensibilidade magnética, à temperatura ambiente.

Mais especificamente, os parceiros do projeto têm como objetivo demonstrar e testar dois sistemas, que se baseiam no mesmo princípio e método de medição física, mas que visam diferentes aplicações:Por um lado, um magnetômetro de sonda de varredura baseado em centros NV em diamante permitirá medições de alta precisão de circuitos nanoeletrônicos. Por outro lado, sistemas de medição baseados em magnetômetros de bombeamento óptico de alta sensibilidade ("OPMs") para aplicações em sondagem de materiais e análise de processos serão realizados.

Magnetometria nanoscal com base em centros NV

Um magnetômetro de sonda de varredura é capaz de medir campos magnéticos com a mais alta resolução espacial em temperatura ambiente. O magnetômetro consiste em complexos de vacância atômica simples em cristais de diamante que funcionam como o menor ímã possível. Um centro de vacância de nitrogênio ("centro NV") em diamante desempenha o papel central. Um centro NV se desenvolve quando dois átomos de carbono vizinhos são removidos e um é substituído por um átomo de nitrogênio. A vacância resultante é então ocupada pelo elétron sobressalente do átomo de nitrogênio. Este elétron possui um momento magnético, que, depois de ser orientado, pode ser usado como um ímã para o campo magnético a ser medido. No Qmag, um centro NV será colocado na ponta em escala nanométrica de uma cabeça de medição de diamante. Quando esta ponta do sensor está sendo movida através de uma amostra dentro de um microscópio de sonda de varredura, os campos magnéticos locais podem ser medidos com resolução espacial extremamente alta. Desta forma, a distribuição de eletricidade em circuitos nanoeletrônicos pode ser tornada visível, considerando que mesmo a menor corrente eletrônica produz um campo magnético que pode ser visualizado usando o magnetômetro quântico.

"Nosso objetivo é desenvolver magnetômetros quânticos com características sensoriais excepcionais, compacidade e modo de operação, que permitem aplicações industriais inovadoras, e, além disso, simplificar a evolução de sistemas eletrônicos complexos no futuro ", diz o Prof. Dr. Oliver Ambacher, gerente de projeto e diretor da Fraunhofer IAF.

OPMs para análises químicas e testes de materiais

O segundo sistema de sensor do QMag usa a dependência do campo magnético de transições eletrônicas em átomos alcalinos:magnetômetros com bombeamento ótico ("OPMs") são uma categoria de sensores que estão sendo usados ​​para medir campos magnéticos extremamente fracos. Assim como os centros NV, OPMs não requerem resfriamento extremo e, portanto, são qualificados para uso industrial. O foco do trabalho científico do QMag está no desenvolvimento de sistemas de medição completos baseados em protótipos de magnetômetros existentes.

Nos OPMs, os átomos alcalinos na fase gasosa são preparados com o auxílio de um feixe de laser circular polarizado de forma que todos os seus momentos magnéticos tenham a mesma orientação. Dentro dos campos magnéticos medidos, os momentos magnéticos experimentam uma precessão síncrona que pode ser medida por meio da absorção de um feixe de laser de comprimento de onda adequado. A medição pode ser feita com uma precisão tão alta que até mesmo campos magnéticos na faixa de femto-Tesla são detectáveis ​​- que é aproximadamente o tamanho dos campos magnéticos que nossas ondas cerebrais produzem enquanto pensamos. Devido à sua sensibilidade, OPMs podem ser usados ​​como detectores de sinais de ressonância magnética nuclear ("NMR"). "No QMag, desenvolvemos sistemas de medição completos com base em protótipos de sensor único existentes, que abre cenários de aplicação inovadores, especialmente no campo de NMR de baixo campo para análises químicas e testes de materiais ", explica o Prof. Dr. Karsten Buse, diretor da Fraunhofer IPM.

Além disso, o consórcio realizará demonstradores para as principais aplicações da mecânica de materiais. A detecção magnética de microfissuras mecânicas é uma ferramenta altamente sensível para caracterização de materiais e teste de componentes e, portanto, um campo de aplicação muito relevante. "A alta sensibilidade dos sensores OPM em baixas frequências e temperatura ambiente abre possibilidades de aplicação completamente novas para testes de materiais. Os defeitos de material microscópico podem ser medidos de forma não destrutiva com base em seus sinais de campo de dispersão magnética", destaca o Prof. Dr. Peter Gumbsch, diretor da Fraunhofer IWM.

Ao lado da equipe principal, três institutos Fraunhofer adicionais contribuem com suas competências científicas e tecnológicas para o desenvolvimento de componentes-chave da tecnologia quântica. O consórcio é complementado pela experiência acadêmica do Prof. Dr. Jörg Wrachtrup (Universidade de Stuttgart) no campo da tecnologia quântica à base de diamante e pelo Prof. Dr. Svenja Knappe (Universidade de Freiburg em cooperação com a Universidade de Colorado Boulder) no campo da magnetometria do átomo gasoso.