Ve fraunhoferském projektu QMag zkoumají průmyslovou vhodnost opticky pumpovaných magnetometrů (OPM) a snaží se měření magnetického pole zahrnout do portfolia senzorových technologií využitelných v průmyslu. OPM totiž vykazují extrémní přesnost měření, která přímo souvisí s atomovými konstantami.
Magnetometry ve své podstatě nejsou ničím novým. Již delší dobu se používají jako kompasy pro měření zemského magnetického pole, pro geologické studie nebo pro analýzu nanostrukturovaných magnetických vrstev na pevných discích pro ukládání dat. Průmyslová detekce nejmenších magnetických polí s nejvyšším prostorovým rozlišením při pokojové teplotě však doposud představovala velký problém.
V aplikační laboratoři kvantového snímání na Fraunhoferově IAF mohou partneři z oblasti vědy a průmyslu vyhodnocovat kvantové magnetometry pro jejich specifické požadavky © Fraunhofer IAF
V průmyslu bránily doposud většímu uplatnění magnetických senzorů především vysoké náklady, včetně chlazení. Přenést kvantovou magnetometrii z laboratoře do aplikace a učinit ji použitelnou v průmyslu si dalo za cíl konsorcium projektu QMag (Quantum Magnetometry), vedené Fraunhoferovým institutem pro aplikovanou fyziku pevných látek IAF (IAF — Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik) za účasti dalších pěti Fraunhoferových institutů (IPM se zaměřením na fyzikální měřicí techniky, IWM zkoumajícím mechaniku materiálů, IISB věnující se integrovaným systémům a technologiím zařízení, IMM zacíleným na mikroinženýrství a mikrosystémy a CAP, UK Research Limited, který je centrem aplikované fotoniky). V závěru úkolu tu vyvinuli a otestovali hned dva komplementární magnetometry, které jsou schopny měřit i nejmenší magnetická pole a proudy s nejvyšším prostorovým rozlišením, respektive nejvyšší magnetickou citlivostí, při pokojové teplotě.
Na jedné straně šlo o magnetometr se skenovací sondou založený na NV centrech (centrum volného místa dusíku) v diamantu, který umožní nejvyšší přesnost měření nanoelektronických obvodů. Fungují jako nejmenší skenovací magnety v zobrazovací skenovací sondě magnetometru. Tím se z jediného atomového systému stane vysoce citlivý senzor, který lze provozovat již při pokojové teplotě.
Na druhé straně pak o měřicí systémy založené právě na vysoce citlivých opticky pumpovaných magnetometrech, které se používají k měření extrémně slabých magnetických polí v materiálových aplikacích a procesní analýze. Stejně jako NV centra, ani OPM nevyžadují extrémní chlazení, a jsou tak kvalifikované i pro průmyslové použití.
Závěry měření u obou systémů potvrdily možnost detekce materiálových vad, které vedou k lokálním změnám magnetického pole, jako jsou praskliny nebo jiné nepravidelnosti v kovových materiálech už v rané fázi použití těchto materiálů.
Díky své citlivosti mohou OPM sloužit jako detektory pro nukleární magnetickou rezonanci (NMR). Standardní NMR běžně používá velmi silná magnetická pole. Proto se vědci z institutu IPM (Fraunhofer- Institut für Physikalische Messtechnik) více zaměřili na přenesení této metody známé v oblastech silných polí do oblasti nejnižších magnetických polí (nulová až ultranízká pole — ZULF — zero to ultra low field) s B < 1 μT až do oblasti zemského pole (EF) s B < 100 μT. Pomocí výsledných nízkých frekvencí chtějí zlepšit kompatibilitu NMR signálů s kovovými složkami. Cílem je postavit průtokoměry založené na NMR, které měří vícefázové toky.
Zároveň vědci pracují na již zmíněné využitelnosti metody OPM při testování materiálů. Za tímto účelem technologii začleňují do mikroúnavových sestav, aby zajistili měření časového průběhu rozptylových magnetických polí ve vzorcích kovů. Tato pole jsou vytvářena trhlinami v materiálu a mohou tak pomoci detekovat a měřit i ty nejmenší trhliny v materiálu ještě předtím, než dojde k iniciaci trhlin. V současnosti známé intenzity magnetického pole těchto rozptylových polí jsou v rozsahu nT až μT, což by OPM měly být schopné nejen spolehlivě zvládnout, ale dokonce překonat.
Základní princip opticky čerpaných magnetometrů (OPM). Pára alkalických atomů je spinově polarizována (tj. zarovnána) v magnetickém poli. Tato spinová polarizace se spojí s magnetickým polem, které má být měřeno, a generuje měřitelnou frekvenci. Tato frekvence je určena atomovými konstantami, a je proto odolná vůči interferencím © Fraunhofer IPM
| Opticky pumpované magnetometry |
| OPM (optically pumped magnetometers) jsou vysoce citlivé kvantové senzory využívající jedinečných vlastností alkalických par a jejich interakce s vnějšími magnetickými a laserovými poli k detekci magnetických polí s nepředstavitelnou citlivostí. Ve srovnání se supravodivými senzory mají OPM silné i slabé stránky. Překonají však citlivost supravodivých senzorů, ale zároveň pracují bez kryogeniky, což je činí potenciálně rušivými v biomagnetických aplikacích magnetoencefalografie (MEG) a magnetokardiografie (MCG). Nasazení OPM v těchto aplikacích vyžaduje, aby byly současně citlivé, rychlé, s velkým dynamickým rozsahem a spolehlivě vyrobitelné ve velkých počtech. |
Jiří Šmíd a Michael Málek