El 1 de abril de 2019, Fraunhofer-Gesellschaft lanza el proyecto del faro "Magnetometría cuántica" (QMag):los institutos Fraunhofer de Friburgo IAF, IPM e IWM quieren transferir la magentometría cuántica del campo de la investigación universitaria a las aplicaciones industriales. En estrecha cooperación con otros tres institutos Fraunhofer (IMM, IISB y CAP), el equipo de investigación desarrolla magnetómetros cuánticos de imágenes altamente integrados con la mayor resolución espacial y sensibilidad.

El proyecto del faro QMag permite el uso de electrones individuales para detectar los campos magnéticos más pequeños. Esto permite utilizar magnetómetros en la industria, por ejemplo, para el análisis de defectos de circuitos nanoelectrónicos, para la detección de fisuras de material ocultas o para la realización de escáneres de resonancia magnética (MRI) especialmente compactos. "Nuestros proyectos de faros establecen importantes prioridades estratégicas para desarrollar soluciones tecnológicas concretas para Alemania como un lugar económico. QMag allana el camino para un faro Fraunhofer en el campo de la tecnología cuántica. La ambición de los excelentes científicos que participan en el proyecto es significativamente mejorar la tecnología y definirla internacionalmente. De esta manera se puede lograr una transferencia a largo plazo de las innovaciones revolucionarias de la magnetometría cuántica a aplicaciones industriales ", explica el presidente de Fraunhofer, el profesor Reimund Neugebauer.

El proyecto QMag se extiende hasta 2024 y está fundado con un total de € 10 millones de euros a partes iguales por Fraunhofer-Gesellschaft y el estado federal de Baden-Württemberg. El Instituto Fraunhofer de Física Aplicada del Estado Sólido IAF, el Instituto Fraunhofer de Técnicas de Medición Física IPM y el Instituto Fraunhofer de Mecánica de Materiales IWM forman el equipo central del consorcio QMag. "La combinación de los socios del proyecto es una característica excepcionalmente única de QMag. Esto convierte a Friburgo en el lugar de investigación líder para sensores cuánticos de uso industrial, no solo en Baden-Württemberg, pero en toda Alemania ", dice la Dra. Nicole Hoffmeister-Kraut, Ministro de Economía de Baden-Württemberg. Fraunhofer IAF es responsable de la coordinación general del proyecto del faro.

De la magnetometría clásica a la cuántica

La magnetometría tiene dos objetivos generales:medir campos magnéticos con gran precisión y en la escala más pequeña. Los magnetómetros se han utilizado intensamente durante mucho tiempo, como brújulas para medir el campo magnético de la tierra, para estudios geológicos o para analizar capas magnéticas nanoestructuradas en discos duros para almacenamiento de datos. Ha habido numerosos avances en el uso científico y tecnológico de los campos magnéticos durante las últimas décadas, sin embargo, la detección de los campos magnéticos más pequeños con la resolución espacial más alta a temperatura ambiente ha demostrado ser un gran desafío científico.

Hasta la fecha, los sensores magnéticos existentes son de uso limitado para aplicaciones industriales debido a sus altos costos y al esfuerzo técnico requerido, como enfriamiento. Especialmente para la obtención de imágenes de campos creados por solo unos pocos electrones en movimiento, Los magnetómetros existentes no son lo suficientemente sensibles a temperatura ambiente y no poseen la resolución espacial requerida.

Dos sistemas complementarios para afrontar los retos

El consorcio QMag se ha fijado el objetivo de llevar la magnetometría cuántica del laboratorio a la aplicación y hacerla utilizable en la industria. Con el fin de hacerlo, los Institutos Fraunhofer desarrollarán dos magentómetros complementarios que sean capaces de medir los campos magnéticos más pequeños y las corrientes con la mayor resolución espacial, respectivamente la sensibilidad magnética más alta, a temperatura ambiente.

Más específicamente, los socios del proyecto tienen como objetivo demostrar y probar dos sistemas, que se basan en el mismo principio y método de medición física pero que tienen como objetivo diferentes aplicaciones:por un lado, un magnetómetro de sonda de barrido basado en centros NV en diamante permitirá mediciones de la más alta precisión de circuitos nanoelectrónicos. Por otra parte, Se realizarán sistemas de medición basados ​​en magnetómetros de bombeo óptico ("OPM") de alta sensibilidad para aplicaciones en sondeo de materiales y análisis de procesos.

Magnetometría a nanoescala basada en centros NV

Un magnetómetro de sonda de barrido es capaz de medir campos magnéticos con la resolución espacial más alta a temperatura ambiente. El magnetómetro consta de complejos de vacantes atómicos individuales en cristales de diamante que funcionan como el imán más pequeño posible. Un centro de vacantes de nitrógeno ("centro NV") en diamante juega el papel central. Un centro NV se desarrolla cuando se eliminan dos átomos de carbono vecinos y uno se reemplaza con un átomo de nitrógeno. La vacante resultante es ocupada por el electrón de reserva del átomo de nitrógeno. Este electrón posee un impulso magnético, cuales, después de ser orientado, se puede utilizar como imán para el campo magnético que se va a medir. Dentro de Qmag, Se colocará un centro NV en la punta a nanoescala de un cabezal de medición de diamante. Cuando esta punta del sensor se mueve a través de una muestra dentro de un microscopio de sonda de barrido, Los campos magnéticos locales se pueden medir con una resolución espacial extremadamente alta. De esta manera se puede hacer visible la distribución de electricidad en circuitos nanoelectrónicos, considerando que incluso la corriente electrónica más pequeña produce un campo magnético que se puede visualizar usando el magnetómetro cuántico.

"Nuestro objetivo es desarrollar magnetómetros cuánticos con características sensoriales excepcionales, compacidad y modo de funcionamiento, que permiten aplicaciones industriales innovadoras, y, además, simplificar la evolución de sistemas electrónicos complejos en el futuro ", dice el Prof.Dr. Oliver Ambacher, gerente de proyectos y director de Fraunhofer IAF.

OPM para análisis químico y pruebas de materiales

El segundo sistema de sensores de QMag utiliza la dependencia del campo magnético de las transiciones electrónicas en átomos alcalinos:los magnetómetros de bombeo óptico ("OPM") son una categoría de sensores que se utilizan para medir campos magnéticos extremadamente débiles. Al igual que los centros NV, Los OPM no requieren enfriamiento extremo y, por lo tanto, están calificados para uso industrial. El enfoque del trabajo científico de QMag radica en el desarrollo de sistemas de medición completos basados ​​en prototipos de magnetómetros existentes.

En los OPM, los átomos alcalinos en fase gaseosa se preparan con la ayuda de un rayo láser circular polarizado para que todos sus momentos magnéticos tengan la misma orientación. Dentro de los campos magnéticos medidos, los momentos magnéticos experimentan una precesión sincrónica que puede medirse mediante la absorción de un rayo láser de longitud de onda adecuada. La medición se puede realizar con una precisión tan alta que incluso los campos magnéticos del rango de femto-Tesla son detectables, que es aproximadamente del tamaño de los campos magnéticos que producen nuestras ondas cerebrales mientras pensamos. Debido a su sensibilidad, Los OPM se pueden utilizar como detectores de señales de resonancia magnética nuclear ("RMN"). "En QMag, Desarrollamos sistemas de medición completos basados ​​en prototipos de sensor único existentes, que abre escenarios de aplicación innovadores, especialmente en el campo de la RMN de campo bajo para análisis químicos y pruebas de materiales ", explica el Prof.Dr. Karsten Buse, director de Fraunhofer IPM.

Es más, el consorcio realizará demostradores para aplicaciones clave para la mecánica de materiales. La detección magnética de microfisuras mecánicas es una herramienta muy sensible para la caracterización de materiales y pruebas de componentes y, por tanto, un campo de aplicación muy relevante. "La alta sensibilidad de los sensores OPM a bajas frecuencias y temperatura ambiente abre posibilidades de aplicación completamente nuevas para las pruebas de materiales. Los defectos microscópicos del material se pueden medir de forma no destructiva sobre la base de sus señales de campo magnético disperso", destaca el Prof.Dr. Peter Gumbsch, director de Fraunhofer IWM.

Junto al equipo central, otros tres institutos Fraunhofer contribuyen con sus competencias científicas y tecnológicas para el desarrollo de componentes clave de la tecnología cuántica. El consorcio se completa con la experiencia académica del Prof.Dr. Jörg Wrachtrup (Universidad de Stuttgart) en el campo de la tecnología cuántica basada en diamantes y del Prof.Dr. Svenja Knappe (Universidad de Friburgo en cooperación con la Universidad de Colorado Boulder) en el campo de la magnetometría atómica gaseosa.