Os magnetômetros quânticos são capazes de detectar e visualizar os menores danos em materiais ferromagnéticos. Na tecnologia aeroespacial ou na indústria automóvel, podem ajudar a aumentar significativamente a resiliência e a segurança dos sistemas e materiais.



Esta conclusão foi alcançada por pesquisadores do recém-concluído projeto QMag do farol Fraunhofer. Eles também investigaram o uso de magnetômetros quânticos em biomedicina, medição de fluxo e produção de chips.

Defeitos estruturais como rachaduras, precipitações ou outras irregularidades em materiais metálicos levam a alterações locais no campo magnético, que podem ser testadas de forma não destrutiva usando magnetômetros. Os magnetômetros quânticos são muito mais sensíveis que as tecnologias convencionais e podem detectar até mesmo pequenas mudanças magnéticas nos materiais.

“Na engenharia automotiva e aeroespacial, é essencial garantir a confiabilidade e durabilidade dos materiais, mas as tecnologias utilizadas até o momento são muito grandes ou não estão disponíveis para a indústria”, afirma o Prof. Rüdiger Quay, gerente de projetos da QMag e diretor do Instituto Fraunhofer de Física Aplicada do Estado Sólido IAF.

No projeto "Magnetometria Quântica", ou QMag, os pesquisadores da Fraunhofer investigaram e desenvolveram sensores quânticos para aplicações industriais específicas. Eles trabalharam com duas abordagens complementares:por um lado, usaram magnetômetros de bombeamento óptico (OPMs), que se caracterizam por sua sensibilidade extremamente alta ao campo magnético, e por outro lado, usaram magnetômetros quânticos de imagem baseados em vacância de nitrogênio (NV). centros em diamante com resolução espacial extremamente alta.

Ambas as tecnologias funcionam à temperatura ambiente e são adequadas para aplicações industriais. Os resultados da pesquisa mostram que os magnetômetros quânticos detectam alterações no campo magnético das amostras mesmo quando a fadiga do material ainda não é visível.

Os pesquisadores usaram OPMs para medir as mudanças no campo magnético de amostras de materiais ferromagnéticos enquanto eram submetidas à fadiga cíclica. Eles demonstraram, assim, que os magnetômetros quânticos detectam os menores defeitos materiais muito antes das tecnologias convencionais. Também foi possível reduzir o tempo de medição, o que é muito importante para utilização em processos industriais como testes de componentes.

Em testes de materiais, os OPMs e os magnetômetros NV podem ser usados ​​de maneiras complementares:enquanto os OPMs fornecem um sinal dinâmico de toda a amostra, a magnetometria NV pode ser usada para medir detalhadamente as propriedades magnéticas de danos individuais em micro e nanoescala.

"Em testes de materiais, os magnetômetros quânticos podem ajudar a estimar a falha de componentes ferromagnéticos antes que os materiais apresentem rachaduras reconhecíveis. Isso desempenha um papel particularmente importante em componentes críticos para a segurança", diz o Dr. Simon Philipp, pesquisador do Instituto Fraunhofer de Mecânica de Materiais IWM.

Outras aplicações em biomedicina, medição de fluxo e indústria de chips

Os pesquisadores também conseguiram desenvolver um novo magnetômetro NV que leva a resultados mais rápidos em testes de materiais e ainda permite outras aplicações:O magnetômetro de campo amplo mede campos magnéticos em uma grande área de amostra em um tempo muito curto e é, portanto, adequado para medições rápidas em aplicações industriais.

"O magnetômetro de campo amplo pode ser usado para a caracterização e otimização de materiais ferromagnéticos, mas também é muito adequado para aplicações em biomedicina e tecnologia médica. Amostras orgânicas podem ser examinadas de forma não destrutiva e com imagens", diz Niklas Mathes, pesquisador do Fraunhofer IAF.

Os pesquisadores obtiveram ainda mais sucesso com o uso de OPMs na medição de vazão:eles desenvolveram um método completamente novo para medir as velocidades de fluxo de líquidos em um tubo baseado em OPMs. A medição de vazão magnetométrica é um método sem contato que pode ser aplicado a uma ampla variedade de meios e é adequado para uso no controle de processos. Este método representa um avanço significativo, pois os métodos anteriores de medição de fluxo são geralmente invasivos.

A equipe do projeto também investigou o uso de magnetômetros quânticos na micro e nanoeletrônica e na produção de chips e identificou um enorme potencial:no controle de qualidade, os magnetômetros quânticos podem ser usados ​​para medir circuitos elétricos e detectar imediatamente transistores defeituosos, por exemplo.

Instalações de testes para a indústria

A fim de tornar os resultados da investigação acessíveis à indústria e testar as tecnologias desenvolvidas para aplicações específicas, foram criadas duas instalações de teste como parte do projeto. Uma sala magneticamente blindada foi instalada no Instituto Fraunhofer de Técnicas de Medição Física IPM, que pode ser usada para medições de teste.

"O ambiente magnético na instalação de testes tem um campo residual inferior a 5 nanotesla e oferece uma supressão de ruído muito alta. Isso nos permite medir até mesmo os menores campos magnéticos gerados por ondas cerebrais. Disponibilizamos esse ambiente para a indústria para serviços de medição, " explica o Dr. Peter Koss, pesquisador do Fraunhofer IPM.

A fim de facilitar a transferência de magnetômetros quânticos para a indústria, foi criada outra instalação de testes em Fraunhofer IAF, que contém vários magnetômetros NV. Permite às empresas interessadas, especialmente PME e start-ups, avaliar os benefícios e o potencial dos magnetómetros quânticos para os seus requisitos específicos.

Fornecido pelo Instituto Fraunhofer de Física Aplicada do Estado Sólido IAF