Quantensensoren identifizieren Magnetfelder

Fortschritte in der Quantentechnologie versprechen eine Vielzahl industrie­rele­vanter Inno­va­tionen, die in den kommenden fünf bis zehn Jahren Einzug in die Wirt­schaft halten werden. Forscher am Fraun­hofer-Institut für ange­wandte Fest­körper­physik IAF, an der Uni Stutt­gart und am MPI für Fest­körper­forschung entwickeln gemeinsam hoch­empfind­liche Diamant­sonden als Basis für neu­artige Quanten­sensoren. Diese sind in der Lage, kleinste magne­tische Felder mit nano­meter­genauer Orts­auf­lösung zu charak­teri­sieren. In Zukunft sollen die Sonden zur Analyse und Kontrolle von magne­tischen Speicher­medien einge­setzt werden, um fehler­hafte Fest­platten­bereiche zu identi­fi­zieren und so die Aus­schuss­raten und Produk­tions­kosten wesent­lich zu redu­zieren. Weitere Einsatz­felder liegen in der Charak­teri­sierung biolo­gischer Sub­stanzen wie beispiels­weise Proteine. Das 2016 gestartete Forschungs­programm „Nuclear Magnetic Resonance at the Nano­scale“ hat eine Lauf­zeit von drei Jahren.

Unmittelbares Ziel der Kooperation ist die Herstellung von Magnet­feld-Sonden aus Diamant­spitzen. Die Detektion von Magnet­feldern erfolgt über ein Sticks­toff-Vakanz-Zentrum, das sich etwa zehn Nano­meter unter der Ober­fläche der Diamant­spitze befindet. Die Spitzen sind ver­gleich­bar mit den Sonden eines Raster­kraft­mikro­skops und können mit hoher Präzi­sion über magne­tische Elemente anorga­nischer oder bio­lo­gischer Art bewegt werden. Darüber hinaus ist geplant, die Magnet­feld-empfind­lichen Stick­stoff-Vakanz-Zentren in Diamant-Plättchen anzu­ordnen, um die Ver­teilung von magne­tischen Momenten zu visua­lisieren. Dieses Verfahren ähnelt der klassischen optischen Mikro­skopie, wobei das Bild die Verteilung von lokalen Magnet­feldern zeigen soll.

Die Industrie produziert immer dichter beschriebene Fest­platten. Aber mit der Daten­dichte steigt auch die Fehler­quote expo­nentiell an. Verdoppelt man die Daten­dichte, verzehn­facht sich die Fehler­rate in der Pro­duktion und der Ausschuss steigt. Oft sind nur einzelne Sektoren der Fest­platte fehler­haft. Mit den neuen Quanten­sensoren haben die Forscher eine mögliche Lösung gefunden, die einzelnen Daten­segmente auf der Fest­platte zu prüfen. Anhand der Diamant­sensoren erkennen sie, ob ein Magnet­feld anliegt oder nicht. Fehler­hafte Segmente können damit geortet und vom Schreib- und Lese­vor­gang ausge­schlossen werden. Millionen von Fest­platten oder Schreib­köpfen können so geprüft, Ausschuss­raten reduziert und dadurch Kosten gesenkt werden.

In Zukunft könnten die Diamant­sensoren in einer Viel­zahl von unter­schied­lichen Anwendungen zum Einsatz kommen, zum Beispiel in der Bio­medizin für den Nach­weis von Krank­heiten und Gift­stoffen oder in der Material­wissen­schaft für die Zuver­lässig­keits- und Sicher­heits­prüfung.

Fh.-IAF / RK