Il 1 aprile 2019, la Fraunhofer-Gesellschaft lancia il progetto faro "Quantum Magnetometry" (QMag):istituti Fraunhofer di Friburgo IAF, IPM e IWM vogliono trasferire la magentometria quantistica dal campo della ricerca universitaria alle applicazioni industriali. In stretta collaborazione con altri tre istituti Fraunhofer (IMM, IISB e CAP), il team di ricerca sviluppa magnetometri quantistici di imaging altamente integrati con la massima risoluzione spaziale e sensibilità.

Il progetto faro QMag consente l'uso di singoli elettroni per rilevare i più piccoli campi magnetici. Ciò consente di utilizzare magnetometri nell'industria, ad esempio per l'analisi dei difetti di circuiti nanoelettronici, per il rilevamento di fessure nascoste del materiale o per realizzare scanner di risonanza magnetica (MRI) particolarmente compatti. "I nostri progetti faro fissano importanti priorità strategiche per sviluppare soluzioni tecnologiche concrete per la Germania come luogo economico. QMag apre la strada a un faro Fraunhofer nel campo della tecnologia quantistica. L'ambizione degli eccellenti scienziati che prendono parte al progetto è di migliorare la tecnologia e definirla a livello internazionale. In questo modo è possibile ottenere un trasferimento a lungo termine delle innovazioni rivoluzionarie della magnetometria quantistica alle applicazioni industriali", spiega il presidente del Fraunhofer, il prof. Reimund Neugebauer.

Il progetto QMag durerà fino al 2024 ed è stato fondato con un totale di 10 milioni di euro in parti uguali dalla Fraunhofer-Gesellschaft e dallo stato federale del Baden-Württemberg. L'Istituto Fraunhofer per la fisica applicata dello stato solido IAF, l'Istituto Fraunhofer per le tecniche di misurazione fisica IPM e l'Istituto Fraunhofer per la meccanica dei materiali IWM costituiscono il nucleo centrale del consorzio QMag. "La combinazione dei partner del progetto è una caratteristica eccezionalmente unica di QMag. Ciò rende Friburgo il luogo di ricerca leader per i sensori quantistici utilizzati a livello industriale, non solo nel Baden-Württemberg, ma in tutta la Germania", dice la dottoressa Nicole Hoffmeister-Kraut, Ministro dell'economia del Baden-Württemberg. Fraunhofer IAF è responsabile del coordinamento generale del progetto del faro.

Dalla magnetometria classica a quella quantistica

La magnetometria ha due obiettivi generali:misurare i campi magnetici in modo estremamente preciso e su scala ridotta. I magnetometri sono stati utilizzati intensamente per molto tempo come bussole per misurare il campo magnetico terrestre, per studi geologici o per analizzare strati magnetici nanostrutturati in dischi rigidi per l'archiviazione dei dati. Ci sono state numerose scoperte nell'uso scientifico e tecnologico dei campi magnetici negli ultimi decenni, tuttavia la rilevazione dei più piccoli campi magnetici con la massima risoluzione spaziale a temperatura ambiente si è rivelata una grande sfida scientifica.

Ad oggi, i sensori magnetici esistenti sono di uso limitato per le applicazioni industriali a causa dei loro costi elevati e dello sforzo tecnico richiesto, come il raffreddamento. Soprattutto per l'imaging di campi creati solo da pochi elettroni in movimento, i magnetometri esistenti non sono sufficientemente sensibili a temperatura ambiente e non possiedono la risoluzione spaziale richiesta.

Due sistemi complementari per affrontare le sfide

Il consorzio QMag si è posto l'obiettivo di portare la magnetometria quantistica dal laboratorio all'applicazione e renderla utilizzabile nell'industria. Per farlo, gli Istituti Fraunhofer svilupperanno due magentometri complementari in grado di misurare i più piccoli campi magnetici e correnti con la massima risoluzione spaziale, rispettivamente la massima sensibilità magnetica, a temperatura ambiente.

Più specificamente, i partner del progetto mirano a dimostrare e testare due sistemi, che si basano sullo stesso principio e metodo di misurazione fisica ma che mirano ad applicazioni diverse:da un lato, un magnetometro a sonda a scansione basato su centri NV in diamante consentirà misurazioni di massima precisione di circuiti nanoelettronici. D'altra parte, saranno realizzati sistemi di misura basati su magnetometri a pompa ottica ("OPM") ad alta sensibilità per applicazioni nel rilevamento dei materiali e nell'analisi di processo.

Magnetometria su nanoscala basata su centri NV

Un magnetometro a sonda a scansione è in grado di misurare i campi magnetici con la massima risoluzione spaziale a temperatura ambiente. Il magnetometro è costituito da singoli complessi di vacanza atomica in cristalli di diamante che funzionano come il magnete più piccolo possibile. Un ruolo centrale è svolto da un centro vacante di azoto ("centro NV") in diamante. Un centro NV si sviluppa quando due atomi di carbonio vicini vengono rimossi e uno viene sostituito con un atomo di azoto. La vacanza risultante viene quindi occupata dall'elettrone di riserva dell'atomo di azoto. Questo elettrone possiede un momento magnetico, quale, dopo essere stato orientato, può essere utilizzato come magnete per il campo magnetico da misurare. All'interno di Qmag, un centro NV sarà posizionato nella punta in scala nanometrica di una testina di misurazione diamantata. Quando questa punta del sensore viene spostata su un campione all'interno di un microscopio a sonda a scansione, i campi magnetici locali possono essere misurati con una risoluzione spaziale estremamente elevata. In questo modo è possibile rendere visibile la distribuzione dell'elettricità nei circuiti nanoelettronici, considerando che anche la più piccola corrente elettronica produce un campo magnetico che può essere visualizzato utilizzando il magnetometro quantistico.

"Il nostro obiettivo è sviluppare magnetometri quantistici con caratteristiche sensoriali eccezionali, compattezza e modalità di funzionamento, che consentono applicazioni industriali innovative, e semplificare ulteriormente l'evoluzione futura di sistemi elettronici complessi", dice il Prof. Dr. Oliver Ambacher, project manager e direttore di Fraunhofer IAF.

OPM per analisi chimiche e test sui materiali

Il secondo sistema di sensori di QMag utilizza la dipendenza dal campo magnetico delle transizioni elettroniche negli atomi alcalini:i magnetometri a pompaggio ottico ("OPM") sono una categoria di sensori utilizzati per misurare campi magnetici estremamente deboli. Proprio come i centri NV, Gli OPM non richiedono un raffreddamento estremo e sono quindi qualificati per l'uso industriale. Il fulcro del lavoro scientifico di QMag risiede nello sviluppo di sistemi di misura completi basati su prototipi di magnetometri esistenti.

Negli OPM gli atomi alcalini in fase gassosa vengono preparati con l'aiuto di un raggio laser circolare polarizzato in modo che tutti i loro momenti magnetici abbiano lo stesso orientamento. All'interno dei campi magnetici misurati i momenti magnetici subiscono una precessione sincrona che può essere misurata tramite l'assorbimento di un raggio laser di adeguata lunghezza d'onda. La misurazione può essere eseguita con una precisione così elevata che sono rilevabili anche i campi magnetici della gamma femto-Tesla, che è approssimativamente la dimensione dei campi magnetici che le nostre onde cerebrali producono mentre pensiamo. Per la loro sensibilità, Gli OPM possono essere utilizzati come rivelatori di segnali di risonanza magnetica nucleare ("NMR"). "In QMag, sviluppiamo sistemi di misura completi basati su prototipi esistenti di singoli sensori, che apre scenari applicativi innovativi, soprattutto nel campo dell'NMR a basso campo per l'analisi chimica e le prove sui materiali", spiega il Prof. Dr. Karsten Buse, direttore del Fraunhofer IPM.

Per di più, il consorzio realizzerà dimostratori per applicazioni chiave per la meccanica dei materiali. Il rilevamento magnetico di microfessure meccaniche è uno strumento altamente sensibile per la caratterizzazione dei materiali e il test dei componenti e quindi un campo di applicazione molto rilevante. "L'elevata sensibilità dei sensori OPM alle basse frequenze e alla temperatura ambiente apre possibilità di applicazione completamente nuove per i test sui materiali. I difetti microscopici dei materiali possono essere misurati in modo non distruttivo sulla base dei loro segnali di campo magnetico vagante", mette in evidenza il Prof. Dr. Peter Gumbsch, direttore del Fraunhofer IWM.

Accanto al nucleo centrale, altri tre istituti Fraunhofer contribuiscono con le loro competenze scientifiche e tecnologiche allo sviluppo di componenti chiave della tecnologia quantistica. Il consorzio è completato dalle competenze accademiche del Prof. Dr. Jörg Wrachtrup (Università di Stoccarda) nel campo della tecnologia quantistica basata sui diamanti e dalla Prof. Dr. Svenja Knappe (Università di Friburgo in collaborazione con l'Università del Colorado Boulder) nel campo della magnetometria a gas atomico.