El magnetómetro cuántico miniaturizado ofrece nuevas posibilidades de medición para una amplia gama de aplicaciones

Fraunhofer IAF presenta la última versión de su magnetómetro cuántico integrado compacto en World of Quantum en Munich, del 24 al 27 de junio. El sistema basado en el diamante se caracteriza por su robustez, alta densidad de integración y sensibilidad de medición de última generación. Gracias a su fácil calibración, alta sensibilidad de unos pocos Picotesla y un alto rango dinámico, ofrece nuevas posibilidades de medición para una amplia gama de aplicaciones en biomedicina, pruebas de materiales, navegación y geología.

El magnetómetro vectorial altamente integrado desarrollado por el Instituto Fraunhofer para Física de Estado Sólido Aplicado se basa en vacantes de nitrógeno (NV) en diamantes y proporciona acceso a los campos magnéticos más pequeños con un grado de flexibilidad y precisión más inalcanzable. El sistema de medición miniaturizado ofrece posibilidades completamente nuevas en aplicaciones que requieren una medición precisa con una interferencia mínima, como en las mediciones bioquímicas de las vías nerviosas o en la microelectrónica.

“Lo que hace que el magnetómetro del vector NV basado en el diamante sea tan especial es su funcionalidad nativa e intuitiva, lo que le permite medir con precisión los componentes vectoriales del campo magnético de la Tierra en la mayoría de las condiciones de funcionamiento. Esto hace que el sensor no solo sea una innovación técnica, sino también un avance significativo en la tecnología de sensores”, explica el Dr. Michael Stoebe, gerente de la unidad de negocios de los dispositivos Quantum en Fraunhofer IAF.

Las propiedades únicas del centro NV en la red de diamantes, que se organiza a lo largo de los cuatro ejes de cristal, permiten que todos los componentes vectoriales del campo magnético se detecten con un solo chip de sensor que usa <100> diamante. Esto reduce el esfuerzo de calibración y abre nuevas posibilidades para las aplicaciones que anteriormente estaban limitadas por las restricciones de los magnetómetros convencionales. Este sensor está revolucionando la investigación en numerosos campos y representa un paso significativo hacia técnicas de medición más precisas y eficientes.

Mayor densidad de integración y sensibilidad

Los investigadores de Fraunhofer IAF han logrado reducir el tamaño de su magnetómetro cuántico integrado en un factor de 30 en solo un año. El cabezal del sensor ahora tiene un tamaño compacto comparable a los magnetómetros de células de gas (OPMS) de bombeo ópticamente utilizados y industriales con alta sensibilidad en el rango de Picotesla. El sistema basado en el diamante se destaca de las tecnologías competidoras gracias a su alta robustez y rango de medición amplio, lo que permite que se use de manera flexible en una amplia variedad de escenarios de medición con requisitos de calibración extremadamente bajos.

“Estamos luchando por una densidad de integración aún mayor, al tiempo que aumenta la sensibilidad. Nuestro objetivo para el próximo año es reducir el tamaño del sensor en un factor de 5 nuevamente, mientras que aumenta aún más la sensibilidad para permitir mediciones en el rango subpicotesla”, enfatiza el Dr. Stoebe.

La característica especial de los magnetómetros cuánticos integrados desarrollados por Fraunhofer IAF es su enfriamiento opcional de agua, que garantiza una medición robusta y confiable de campos magnéticos incluso en condiciones de funcionamiento difíciles. Esta flexibilidad en el diseño y la integración es lo que establece los últimos prototipos de sensores del instituto con sede en Friburgo.

“Tomamos un enfoque orientado a la aplicación para el desarrollo continuo de nuestros sistemas de sensores y respondemos a los requisitos individuales establecidos en nuestros sistemas”, dice el Dr. Michael Kunzer, gerente de proyectos de Fraunhofer IAF.

Además de desarrollar aún más el sistema, el elemento central del sensor, su cabezal del sensor de diamante de vacante de nitrógeno (NV), también se está mejorando en Fraunhofer IAF. El diamante sintético se cultiva en el Instituto en reactores especiales y se procesa aún más en dispositivos cuánticos a través del intercambio controlado de átomos de carbono con átomos de nitrógeno. Los tamaños de obleas del diamante Ultra-Pure se desarrollarán más el próximo año desde las dos pulgadas actuales hasta las obleas de cuatro pulgadas industrialmente escalables.

GNSS: navegación segura sin GPS

A pesar de su alta precisión y cobertura, los sistemas de navegación de hoy a menudo son propensos a la interferencia y no están disponibles en todas partes. Por lo tanto, los métodos de navegación alternativos que funcionan independientemente de los sistemas satelitales de navegación globales (GNSS) están ganando importancia. El campo magnético de la Tierra es una base prometedora para esto, ya que exhibe diferencias regionales que pueden usarse como un mapa invisible para la navegación autónoma, especialmente en áreas donde las señales GPS son interrumpidas o difíciles de recibir.

El sensor cuántico desarrollado en Fraunhofer IAF hace posible crear mapas de campo magnético integrales y proporcionar una navegación confiable basada en ellos. El magnetómetro Vector ofrece un método autónomo y sin interferencias para el posicionamiento global y la navegación. Complementa la navegación basada en satélite y también funciona sin señales satelitales, por ejemplo bajo el agua, en cañones, subterráneos, en edificios o en túneles.

Medidas geológicas Rápidamente y sin contacto

El magnetómetro cuántico desarrollado por Fraunhofer IAF permite una localización precisa y sin contacto de depósitos minerales subterráneos, proporcionando así acceso a recursos valiosos. También puede detectar municiones sin explotar en grandes áreas, reduciendo significativamente el riesgo para las personas en las áreas afectadas. Utilizando el mismo principio que en la navegación, la composición de la corteza terrestre y su campo magnético se puede usar para sacar conclusiones sobre formaciones geológicas. Así se pueden detectar anomalías magnéticas como depósitos de mineral o objetos metálicos, como la munición sin explotar.

Los datos recopilados se pueden convertir en mapas magnéticos que muestran las ubicaciones de los objetos sospechosos y proporcionan información sobre su profundidad, forma y tamaño. Este método permite una exploración integral y no invasiva de las áreas afectadas y la ubicación de incluso objetos profundos.