基于钻石的量子传感器技术的快速磁成像

Fraunhofer IAF的宽场磁强计在灵敏度、分辨率和速度之间提供了一个独特的折中。资料来源：Fraunhofer IAF

通过量子传感实现的磁场显微成像，可以测量物体的独特磁性指纹。这为材料测试或生物医学等各个领域的根本性新应用打开了大门。

弗劳恩霍夫IAF开发了一种创新的方法，以改进的宽场磁强计的形式使用快速相机图像。该系统在灵敏度、分辨率和速度方面提供了独特的妥协。它将在6月27日至30日在慕尼黑举行的LASER World of QUANTUM 2023上展出，作为弗莱堡量子传感中心的一部分，弗劳恩霍夫IAF、IPM和IWM研究所在量子测磁领域汇集了他们的专业知识。

弗劳恩霍夫应用固体物理研究所IAF的研究人员在一个独特的测量装置中成功地利用了基于氮空穴（NV）中心的量子传感器技术的巨大潜力。他们的宽场磁强计能够在很大范围内快速测量样品的杂散磁场。它的高测量精度的特点是分辨率低至纳米范围，并且是绝对可量化的。

这种测量方法开辟了计量学的新途径，由于其应用范围广泛，从无机到有机样品，适合于各种行业，如（纳米）电子、材料科学或生物医学。

这个创新的测量系统是在弗劳恩霍夫领导的项目QMag过程中开发的。在该项目过程中，弗劳恩霍夫IAF、IPM和IWM三个研究所集中了磁测量技术和基础设施，它们共同组成了弗莱堡量子传感中心。
 

1 / 1宽场磁强计的测量原理的示意图结构。由于样品与钻石传感器的直接接触，磁性纳米粒子可以被精确和快速地测量。资料来源：弗劳恩霍夫IAF

钻石的磁力测量
宽场磁测量法是基于金刚石薄膜中的NV中心，是量子传感领域的一种新方法。弗劳恩霍夫IAF开发的测量装置使用一个任意波形发生器（AWG），它产生微波辐射并触发激光和相机的记录时间窗口，精度达到纳秒级。通过使用不同的测量协议，这使得测量具有高度的灵活性和精确度。

"宽场磁力计不仅受益于我们改进的设置，而且受益于弗劳恩霍夫IAF为钻石板开发的生长工艺，我们将其用作传感器，"弗劳恩霍夫IAF的业务部门副经理Jan Jeske博士解释说。在该研究所生长的基底是基于(100)定向、纯、无掺杂的 "IIa "型钻石，厚度为500微米，面积为4 x 4毫米。该基片上覆有一层薄薄的涂层，其中用于传感器应用的NV中心是在靠近样品的地方产生的。

宽场磁强计的测量优势
在材料科学中，实验方法被用来表征多晶体材料，以获得对宏观材料行为的微观理解。这使得人们有可能更好地了解材料并优化其特性。然而，目前的方法通常依赖于较长的测量时间和大型实验设施。通常，真空条件或高能粒子也是必要的，这可能对样品材料产生不利影响。

基于NV中心的宽场磁测量法是一种替代性的、非侵入性的方法，在室温下操作。这为深入了解微观磁场分布提供了新的可能性，这对材料分析有很大的潜力。该系统不限于无机材料样品，由于其对测量环境的要求相对较低，也可应用于有机样品。这些测量特性，加上弗劳恩霍夫研究所开发的方法的高测量速度，甚至可以进行复杂的测量，如波动、交变场和交流（AC）测量--为新的材料分析方法铺平道路。

由弗劳恩霍夫应用固体物理研究所IAF提供