Messaufgaben in der Fabrik- und Prozessautomation, aber auch in der Fahrzeug- oder Medizintechnik stellen Sensoren vor immer neue Herausforderungen. Gefragt sind präzise, reproduzierbare und skalierbare Verfahren, die sich unter widrigen Einsatzbedingungen – bei extremen Temperaturen, in elektromagnetischen Feldern oder bei limitiertem Bauraum – vorteilhaft in Anwendungen integrieren lassen. Auf dem Gebiet der Magnetometrie, der Magnetfeldmessung, stehen seit einigen Jahren Quantensensoren im Fokus, die gegenüber herkömmlichen Messaufnehmern eine hohe Sensitivität und Genauigkeit erreichen. Anders als beispielsweise Hall- Effekt- oder magnetoresistive Sensoren reagieren sie robust auf Temperaturschwankungen und messen hysteresefrei. Grundlage dafür sind quantenphysikalische Wechselwirkungen auf der subatomaren Skala, die sich in Diamantkristallen erzeugen und kontrollieren lassen.

Mit Diamanten und Laser zur Magnetfeldmessung

Quantum Technologies, ein Spin-off der Universität Leipzig, entwickelt seit dem Jahr 2020 auf dem Gebiet der Quantenmagnetometer. Zu den Zielapplikationen gehören unter anderem hochsensitive Winkelkodierer, robuste Sensorik für Stromsensorik oder die Überwachung von Elektromotoren – allesamt problematische Einsatzgebiete, auch für Quantensensoren. Denn entweder ist die notwendige Kühlung beim Integrieren der Messverfahren nachteilig oder es ist Mikrowellenstrahlung nötig, die wiederum Wärme erzeugen kann. Oft ist es schwierig, Sensor und Messumgebung galvanisch zu trennen.

Bereits als Doktorand hatte Dr. Robert Staacke, Mitgründer und CEO von Quantum Technologies, an Magnetfeldsensoren geforscht, die Quanteneffekte nutzen. Typischerweise konzentrieren sich die Wissenschaftler dabei auf sogenannte Farbzentren in Diamantkristallen, im Speziellen auf Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV). Sie eignen sich dazu, um Magnetfelder und deren Änderungen optisch zu vermessen. NV-Zentren entstehen, indem im Kristallgitter des Diamanten – einer Modifikation des Elements Kohlenstoff – eines der Kohlenstoffatome durch Stickstoff ersetzt wird, während ein benachbartes Kohlenstoffatom fehlt. Dieses Defektpaar aus Stickstoffatom (N) und Gitterleerstelle (Vakanz, V) zeichnet sich dadurch aus, dass es einen Spin von 1 besitzt. Externe Magnetfelder beeinflussen die Energielevel der Spinzustände des Zentrums, was wiederum eine Änderung der Fluoreszenz zur Folge hat. Mithilfe von Licht lässt sich das NV-Zentrum energetisch anregen. Wird die dabei entstehende Fluoreszenz überwacht, erlaubt dies Rückschlüsse auf die Stärke des betreffenden Magnetfelds.

Mikrowellen aus dem Sensor verbannt

Das Messprinzip der Magnetfeldsensoren von Quantum Technologies.

© Quantum Technologie

Im Gegensatz zu Squids (Superconducting Quantum Interference Devices) können NV-Magnetometer weitere Messbereiche erfassen und bis Raumtemperatur sowie darüber hinaus arbeiten. Allerdings ist es typischerweise nötig, die NV-Zentren räumlich nach dem Magnetfeld auszurichten und Mikrowellenstrahlung zu nutzen. Zwar kommen NV-Sensoren ohne die aufwendigen Kühlapparaturen aus, wie man sie für Squids braucht, doch auch die Mikrowellen erfordern spezielle Aufbauten – zum Beispiel Antennen in der Nähe des Diamanten oder schirmende Einhausungen, um die Empfindlichkeit der Messung zu steigern.

Quantum Technologies verfolgt daher einen Technologie-Ansatz, der unabhängig von der Richtung des Magnetfelds und ohne Mikrowellenstrahlung funktioniert: Anstelle eines ausgedehnten und homogenen Diamantkristalls werden Diamant-Nanopartikel auf der Spitze einer optischen Faser verwendet. Die statistisch verteilte Ausrichtung der Partikel eliminiert die in Kristallen unvermeidliche Richtungsabhängigkeit (Anisotropie) der Materialeigenschaften. Die Magnetfeldmessung wird isotrop.

Diese Technologie hat zwei Vorteile: Zum einen arbeiten die Sensoren rein optisch. Sie können am Ende einer Glasfaser, ohne elektrisch leitendes oder magnetisches Material, problemlos an den Ort des Geschehens gebracht werden. So kann die Messung galvanisch entkoppelt und von elektrisch-magnetischen Störquellen unbeeinflusst erfolgen. Zum anderen ist der Messaufbau sehr klein, einfach und lässt sich auch in schwer zugängliche Anwendungen wie E-Motoren integrieren.

Dem war nicht immer so. Das typische Bild eines Labors für die Forschung an NV-Zentren zeigt komplizierte Versuchsaufbauten, riesige optische Tische, übersät mit Komponenten und Geräten. Die Vorgehensweise des Quantum Technologies-Teams war eher untypisch für die Wissenschaft, denn es sollte nicht darum gehen, mit noch mehr Komplexität noch genauer zu messen, um noch einen physikalischen Effekt mehr aufzudecken, sondern vielmehr ging es um die Frage, wie sich die Komplexität reduzieren und das System vereinfachen lässt?

Was dabei als Minimalausstattung herauskam, sieht so aus: Benötigt werden Diamant-Nanopartikel, eine Lichtquelle und ein Detektor. Anschließend wird die rote Fluoreszenz ausgewertet. Das Ergebnis ist zwar nicht der höchstempfindliche Sensor, der sich mit NV-Zentren realisieren lässt, aber die galvanische Trennung wird erreicht. Durch die Diamant-Nanopartikel entsteht eine isotrope Messmöglichkeit und ein winziger Messpunkt, woraus sich neue Einsatzmöglichkeiten für die Sensoren ergeben.

Messen, ohne Quantenphysiker zu sein

Die richtungs- und störentkoppelte Messung sowie der geringe Footprint des Sensors sind Schlüssel zu den Anwendungen, die Quantum Technologies erschließen möchte: direkt im Luftspalt eines Elektromotors zum Beispiel oder innerhalb einer Elektrofahrzeugbatterie, in Hochspannungs-Energieanlagen, in der invasiven Medizintechnik und der Radiologie oder bei zerstörungsfreien Inline-Werkstoffprüfungen für die Metallindustrie.

In der Praxis ist laut Dr. Staacke wichtig, dass mit der roten Fluoreszenz von wechselnder Intensität ein einfach interpretierbares Ausgangssignal zur Verfügung steht: Zwar seien die physikalischen Zusammenhänge hinter der Messung wirklich kompliziert, doch Änderungen in der Helligkeit könne jeder einfach nachvollziehen, auch ohne Quantenphysiker zu sein.

Ein einzelner Messpunkt gehört dabei zu den simpleren Anwendungsszenarien. Scannende Verfahren, etwa mit bewegtem Sensor in der Materialcharakterisierung, sind ebenfalls noch relativ einfach umsetzbar. Etwas komplexer ist die Idee einer Quanten-Magnetfeldkamera, doch auch hierzu wurden bereits Demonstratoren aufgebaut. Dafür wurde eine größere Fläche mit Diamant-Nanopartikeln bedeckt, diese mittels einer LED angeregt und anschließend über eine CCD-Kamera die rote Fluoreszenz beobachtet.

Der Autor: Tobias Wölk ist Produktmanager Automatisierungstechnik & Aktive Bauelemente bei Reichelt Elektronik.

© Reichelt Elektronik

Demonstratoren zur Positions- und Frequenzmessung an rotierenden Magneten, zum Elektromotor-Monitoring sowie die Megapixel-Magnetfeldkamera sollen Kunden von Quantum Technologies praktische Vorteile und die Vielfalt potenzieller Anwendungen zeigen. Um den Prozess des Markteintritts zu forcieren, ist das Unternehmen 2023 eine Partnerschaft mit Reichelt Elektronik eingegangen.