I magnetometri quantistici sono in grado di rilevare e visualizzare i più piccoli danni nei materiali ferromagnetici. Nella tecnologia aerospaziale o nell'industria automobilistica, possono contribuire ad aumentare significativamente la resilienza e la sicurezza di sistemi e materiali.
Questa conclusione è stata raggiunta dai ricercatori del progetto QMag del faro Fraunhofer recentemente completato. Hanno inoltre studiato l'uso dei magnetometri quantistici nella biomedicina, nella misurazione del flusso e nella produzione di chip.
Difetti strutturali come crepe, precipitazioni o altre irregolarità nei materiali metallici portano a cambiamenti locali nel campo magnetico, che possono essere testati in modo non distruttivo utilizzando magnetometri. I magnetometri quantistici sono molto più sensibili delle tecnologie convenzionali e possono rilevare anche piccoli cambiamenti magnetici nei materiali.
"Nell'ingegneria automobilistica e aerospaziale è essenziale garantire l'affidabilità e la durata dei materiali, ma le tecnologie utilizzate finora sono troppo grandi o non disponibili per l'industria", afferma il Prof. Dr. Rüdiger Quay, project manager di QMag e direttore dell'Istituto Fraunhofer per la fisica applicata dello stato solido IAF.
Nel progetto "Quantum Magnetometry", abbreviato QMag, i ricercatori del Fraunhofer hanno studiato e sviluppato ulteriormente sensori quantistici per specifiche applicazioni industriali. Hanno lavorato con due approcci complementari:da un lato hanno utilizzato magnetometri a pompaggio ottico (OPM), che si caratterizzano per la loro sensibilità estremamente elevata al campo magnetico, e dall’altro hanno utilizzato magnetometri quantistici a imaging basati sulla vacanza di azoto (NV). centri in diamante ad altissima risoluzione spaziale.
Entrambe le tecnologie funzionano a temperatura ambiente e sono adatte per applicazioni industriali. I risultati della ricerca mostrano che i magnetometri quantistici rilevano cambiamenti nel campo magnetico dei campioni anche quando la fatica del materiale non è ancora visibile.
I ricercatori hanno utilizzato gli OPM per misurare i cambiamenti nel campo magnetico dei campioni di materiale ferromagnetico mentre erano sottoposti a fatica ciclica. Hanno così dimostrato che i magnetometri quantistici rilevano i più piccoli difetti materiali molto prima rispetto alle tecnologie convenzionali. È stato anche possibile ridurre i tempi di misurazione, il che è molto importante per l'utilizzo in processi industriali come il test dei componenti.
Nei test sui materiali, gli OPM e i magnetometri NV possono essere utilizzati in modi complementari:mentre gli OPM forniscono un segnale dinamico dall'intero campione, la magnetometria NV può essere utilizzata per misurare in dettaglio le proprietà magnetiche dei singoli danni su scala micro e nanometrica.
"Nei test sui materiali, i magnetometri quantistici possono aiutare a stimare il cedimento dei componenti ferromagnetici prima che i materiali presentino crepe riconoscibili. Ciò gioca un ruolo particolarmente importante nei componenti critici per la sicurezza", afferma il dott. Simon Philipp, ricercatore presso l'Istituto Fraunhofer di meccanica di Materiali IWM.
I ricercatori sono anche riusciti a sviluppare un nuovo magnetometro NV che porta a risultati più rapidi nei test sui materiali e consente anche ulteriori applicazioni:il magnetometro ad ampio campo misura i campi magnetici su un'ampia area campione in un tempo molto breve ed è quindi adatto per misurazioni rapide nelle applicazioni industriali.
"Il magnetometro ad ampio campo può essere utilizzato per la caratterizzazione e l'ottimizzazione dei materiali ferromagnetici, ma è anche molto adatto per applicazioni in biomedicina e tecnologia medica. I campioni organici possono essere esaminati in modo non distruttivo e con l'imaging", afferma Niklas Mathes, ricercatore presso Fraunhofer IAF.
I ricercatori hanno ottenuto un ulteriore successo con l'uso degli OPM nella misurazione del flusso:hanno sviluppato un metodo completamente nuovo per misurare le velocità del flusso dei liquidi in un tubo basato sugli OPM. La misurazione del flusso magnetometrico è un metodo senza contatto che può essere applicato a un'ampia gamma di fluidi ed è adatto per l'uso nel controllo di processo. Questo metodo rappresenta un progresso significativo, poiché i metodi precedenti di misurazione del flusso sono generalmente invasivi.
Il team del progetto ha anche studiato l'uso dei magnetometri quantistici nella micro e nanoelettronica e nella produzione di chip e ha identificato un enorme potenziale:nel controllo di qualità, i magnetometri quantistici possono essere utilizzati, ad esempio, per misurare circuiti elettrici e rilevare immediatamente transistor difettosi.
Per rendere i risultati della ricerca accessibili all'industria e testare le tecnologie sviluppate per applicazioni specifiche, nell'ambito del progetto sono state allestite due strutture di prova. Presso l'Istituto Fraunhofer per le tecniche di misurazione fisica IPM è stata installata una stanza schermata magneticamente che può essere utilizzata per misurazioni di prova.
"L'ambiente magnetico nell'impianto di prova ha un campo residuo inferiore a 5 nanotesla e offre un'elevatissima soppressione del rumore. Ciò ci consente di misurare anche i più piccoli campi magnetici generati dalle onde cerebrali. Mettiamo questo ambiente a disposizione dell'industria per servizi di misurazione, " spiega il Dr. Peter Koss, ricercatore presso Fraunhofer IPM.
Per facilitare il trasferimento dei magnetometri quantistici all'industria, presso il Fraunhofer IAF è stato allestito un ulteriore impianto di prova, che contiene diversi magnetometri NV. Consente alle aziende interessate, in particolare alle PMI e alle start-up, di valutare i vantaggi e il potenziale dei magnetometri quantistici per le loro esigenze specifiche.
Fornito dall'Istituto Fraunhofer per la fisica applicata dello stato solido IAF
