Los magnetómetros cuánticos son capaces de detectar y visualizar los daños más pequeños en materiales ferromagnéticos. En la tecnología aeroespacial o en la industria automovilística, pueden ayudar a aumentar significativamente la resiliencia y la seguridad de sistemas y materiales.
A esta conclusión llegaron los investigadores del proyecto QMag del faro Fraunhofer, recientemente finalizado. También investigaron el uso de magnetómetros cuánticos en biomedicina, medición de flujo y producción de chips.
Los defectos estructurales como grietas, precipitaciones u otras irregularidades en los materiales metálicos provocan cambios locales en el campo magnético, que pueden comprobarse de forma no destructiva mediante magnetómetros. Los magnetómetros cuánticos son mucho más sensibles que las tecnologías convencionales y pueden detectar incluso pequeños cambios magnéticos en los materiales.
"En la ingeniería automovilística y aeroespacial es fundamental garantizar la fiabilidad y la durabilidad de los materiales, pero las tecnologías utilizadas hasta la fecha son demasiado amplias o no están disponibles para la industria", afirma el Prof. Dr. Rüdiger Quay, director de proyectos de QMag y director del Instituto Fraunhofer de Física Aplicada del Estado Sólido IAF.
En el proyecto "Magnetometría cuántica", abreviado QMag, los investigadores de Fraunhofer investigaron y desarrollaron sensores cuánticos para aplicaciones industriales específicas. Trabajaron con dos enfoques complementarios:por un lado, utilizaron magnetómetros de bombeo óptico (OPM), que se caracterizan por su altísima sensibilidad al campo magnético, y, por otro lado, utilizaron magnetómetros cuánticos de imágenes basados en la vacancia de nitrógeno (NV). centros en diamante con resolución espacial extremadamente alta.
Ambas tecnologías funcionan a temperatura ambiente y son adecuadas para aplicaciones industriales. Los resultados de la investigación muestran que los magnetómetros cuánticos detectan cambios en el campo magnético de las muestras incluso cuando la fatiga del material aún no es visible.
Los investigadores utilizaron OPM para medir los cambios en el campo magnético de muestras de materiales ferromagnéticos mientras estaban sometidas a fatiga cíclica. De este modo, han demostrado que los magnetómetros cuánticos detectan los defectos más pequeños de los materiales mucho antes que las tecnologías convencionales. También fue posible acortar el tiempo de medición, lo cual es muy importante para su uso en procesos industriales como las pruebas de componentes.
En las pruebas de materiales, los magnetómetros OPM y NV se pueden utilizar de forma complementaria:mientras que los OPM proporcionan una señal dinámica de toda la muestra, la magnetometría NV se puede utilizar para medir en detalle las propiedades magnéticas de daños individuales a micro y nanoescala.
"En las pruebas de materiales, los magnetómetros cuánticos pueden ayudar a estimar el fallo de los componentes ferromagnéticos antes de que los materiales presenten grietas reconocibles. Esto juega un papel especialmente importante en los componentes críticos para la seguridad", afirma el Dr. Simon Philipp, investigador del Instituto Fraunhofer de Mecánica de Materiales IWM.
Los investigadores también han logrado desarrollar un nuevo magnetómetro NV que proporciona resultados más rápidos en pruebas de materiales e incluso permite otras aplicaciones:el magnetómetro de campo amplio mide campos magnéticos en una gran superficie de muestra en muy poco tiempo y, por lo tanto, es adecuado para mediciones rápidas. en aplicaciones industriales.
"El magnetómetro de campo amplio se puede utilizar para la caracterización y optimización de materiales ferromagnéticos, pero también es muy adecuado para aplicaciones en biomedicina y tecnología médica. Las muestras orgánicas se pueden examinar de forma no destructiva y mediante imágenes", afirma Niklas Mathes, investigador del Fraunhofer IAF.
Los investigadores lograron un mayor éxito con el uso de OPM en la medición de flujo:desarrollaron un método completamente nuevo para medir las velocidades de flujo de líquidos en una tubería basado en OPM. La medición de flujo magnetométrico es un método sin contacto que se puede aplicar a una amplia gama de medios y es adecuado para su uso en el control de procesos. Este método representa un avance significativo, ya que los métodos anteriores de medición de flujo suelen ser invasivos.
El equipo del proyecto también investigó el uso de magnetómetros cuánticos en la micro y nanoelectrónica y en la producción de chips y identificó un enorme potencial:en el control de calidad, los magnetómetros cuánticos pueden usarse para medir circuitos eléctricos y detectar inmediatamente transistores defectuosos, por ejemplo.
Para que los resultados de la investigación sean accesibles a la industria y probar las tecnologías desarrolladas para aplicaciones específicas, se crearon dos instalaciones de prueba como parte del proyecto. En el Instituto Fraunhofer de Técnicas de Medición Física IPM se ha instalado una sala con blindaje magnético que se puede utilizar para mediciones de prueba.
"El entorno magnético de las instalaciones de pruebas tiene un campo residual de menos de 5 nanotesla y ofrece una supresión de ruido muy alta. Esto nos permite medir incluso los campos magnéticos más pequeños generados por ondas cerebrales. Ponemos este entorno a disposición de la industria para servicios de medición, " explica el Dr. Peter Koss, investigador del Fraunhofer IPM.
Para facilitar la transferencia de los magnetómetros cuánticos a la industria, en el Fraunhofer IAF se instaló otra instalación de pruebas que contiene varios magnetómetros NV. Permite a las empresas interesadas, especialmente a las pymes y a las empresas emergentes, evaluar los beneficios y el potencial de los magnetómetros cuánticos para sus necesidades específicas.
Proporcionado por el Instituto Fraunhofer de Física Aplicada del Estado Sólido IAF
