Academia
Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM
Das Fraunhofer IPM entwickelt und erforscht innovative Messverfahren und Anwendungen der Quantensensorik mit den Schwerpunkten Quantenmagnetometrie und photonische Quantensensorik. Unsere langjährige Expertise in der Entwicklung von Sensorik und Messsystemen bildet dabei die Grundlage für die Realisierung industrietauglicher Sensorlösungen — von der ersten Idee über das Design bis hin zum fertigen Produkt. Der Nachweis von Magnetfeldern im Innern von Objekten ist durch kontaktfreie Messung von außen möglich, weil Magnetfelder im Gegensatz zu elektrischen Feldern kaum abgeschirmt werden. Dies ist zugleich ein Hindernis für Messsysteme, die auf Magnetfeldsensoren basieren, denn sämtliche Objekte unserer alltäglichen Umgebung erzeugen Magnetfelder (siehe nebenstehende Abbildung). Deshalb ist es wichtig, die magnetische Umgebung eines solchen Messsystems sehr gut zu kontrollieren. Unser Ziel ist es, hochaufgelöste Magnetfeldmessungen in unsere Messsysteme zu integrieren und somit eine große Bandbreite an für die Industrie relevanten Observablen hochgenau messen zu können. Am Fraunhofer IPM entwickelte Systeme arbeiten hauptsächlich mit optisch gepumpten Magnetometern (OPM). Dieser Sensortyp zeichnet sich durch extreme Messgenauigkeit aus, die lediglich durch quantenphysikalische Gesetze limitiert ist. OPM benötigen im Unterschied zu vielen anderen quantenbasierten Sensoren keine aufwendige Kühlung. Durch den intensiven Austausch mit unseren Partnern in Wissenschaft und Industrie werden wir Erkenntnisse aus der Quantenforschung in marktfähige Technologien überführen. Unsere Messsysteme bauen auf kommerziell verfügbaren Einzelsensoren auf und sollen neue Anwendungsszenarien vor allem im Bereich der Niederfeld-NMR und der Materialprüfung erschließen.
Forschung
- Quantenmagnetometrie: Hochsensitive Quantenmagnetometer für ein breites Anwendungsspektrum in Industrie und Forschung, etwa zur magnetometrischen Durchflussmessung
- Magnetic Cleanliness: Untersuchung, Charakterisierung und magnetische Reinigung von Raumfahrtkomponenten und anderen Bauteilen mit kritischen magnetischen Eigenschaften
- Magnetische Schirmungstechnik: Inline-fähige magnetische Abschirmung von Bauteilen durch neuartige Sprühbeschichtungsverfahren
- Photonische Quantensensorik: Analytik und hyperspektrale Bildgebung für den Infrarot-Bereich auf der Basis nichtlinearer Interferometer mit „undetektierten Photonen“
Aktivitäten
Wie kann ein Fluid, dessen Durchfluss gemessen werden soll, ein Magnetfeld erzeugen? Ist ein solches Magnetfeld überhaupt messbar? Diese Fragen können nur beantwortet werden, wenn wir uns mit dem Konzept des Spins eines Teilchens auseinandersetzen. Der Spin ist eine fundamentale Eigenschaft von Teilchen wie Atomen oder Atomkernen und kann als winziger Magnet betrachtet werden, der ein eigenes Magnetfeld erzeugt. Mithilfe modernster quantenbasierter Technologie können wir dieses Magnetfeld messen und somit den Durchfluss des Fluids bestimmen.
Magnetische Durchflussmessung auf Basis von Quantensensoren
Zur Messung von Durchflüssen haben wir eine bahnbrechende Methode entwickelt, die darauf abzielt, die Grenzen herkömmlicher Durchflussmessgeräte zu erweitern. Unser Verfahren nutzt die inhärenten Eigenschaften von Kernspins in einer Flüssigkeit als magnetische Marker, um präzise Messungen durchzuführen. Das Fluid wird zunächst magnetisiert und anschließend magnetisch markiert. Danach werden die magnetischen Markierungen in einer Laufzeitmessung gemessen. Unsere Methode unterscheidet sich erheblich von einem auf Kernspinresonanz basierenden Ansatz, da hier die Magnetisierung des Fluids statisch ist und keine Frequenz wie bei herkömmlichen Versuchen mit Kernspinresonanz erzeugt wird.
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In unserem magnetisch geschirmten Raum messen wir Restmagnetisierungen mit einer Genauigkeit im Femtotesla-Bereich. So können wir z. B. die magnetische Reinheit von Komponenten und Systemen für den Einsatz im Weltraum.
Magnetische Reinheit sensitiv messen
Der vermehrte Einsatz von handelsüblichen Komponenten (COTS) in New-Space-Anwendungen senkt zwar die Kosten, birgt aber auch Risiken. Geringfügige Restmagnetisierungen können sich summieren und mit dem Erdmagnetfeld koppeln, wodurch die Lageregelung und die Elektronik von Satelliten gestört werden. In seinem magnetisch abgeschirmten Raum ist das Fraunhofer IPM in der Lage, die magnetische Reinheit von Weltraumkomponenten und Baugruppen mit einer Empfindlichkeit im fT-Bereich zu messen und zu bewerten.
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Maßgeschneiderte Sprühbeschichtungen ermöglichen kompakte, mehrschichtige magnetische Abschirmungen.
Sprühbeschichtete Magnetische Schirmung
Herkömmliche Abschirmmaterialien wie Mu-Metall und andere Metalle mit hoher Permeabilität sind bei niedrigen Frequenzen äußerst wirksam. Das Material wird in der Regel in Form von Blechen oder Folien verwendet, was gewisse Nachteile mit sich bringt, wie beispielsweise Überlappungen und Einbaukanten. Das Spritzbeschichtungsverfahren ermöglicht es, die magnetische Abschirmung direkt auf die jeweilige Abschirmgeometrie aufzubringen. Abwechselnde Schichten aus Mu-Metall und Aluminium oder Kupfer werden auf komplexe 3D-Geometrien aufgesprüht, wodurch eine präzise Passform gewährleistet wird. Das Verfahren kombiniert erfolgreich die hohe Permeabilität von Mu-Metall für Gleichstrom (DC) und sehr niedrige Frequenzen mit der Wirbelstromdämpfung leitfähiger Metalle für den Kilohertz-Bereich (kHz) und darüber. Das Ergebnis ist eine spaltfreie, kompakte Breitband-Abschirmung, die von Gleichstrom bis 100 kHz funktioniert.
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Korrelierte Photonen ermöglichen neuartige Messverfahren für die hochauflösende Spektroskopie bei geringer Lichtdosis.
Das Quantum-FTIR-Spektrometer: Analytik und hyperspektrale Bildgebung für den Infrarot-Bereich
Im mittelinfraroten Spektralbereich liegen besonders viele Informationen über die Zusammensetzung einer spektroskopischen Probe. Detektoren für diesen Bereich sind jedoch in der Regel technologisch komplex, teuer und müssen zudem oft gekühlt werden. Im sichtbaren bis nahinfraroten Spektralbereich stehen hingegen leistungsfähige und günstige Silizium-Detektoren zur Verfügung. Interferenzeffekte von korrelierten Photonenpaaren ermöglichen Infrarotspektroskopie durch Detektion von sichtbarem Licht. In unserem Team »Nichtlineare Optik und Quantensensorik« forschen wir an der Nutzung dieser Quantentechnologie zur leistungsfähigen spektroskopischen Analytik.
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