Sensoren auf Diamantbasis ermöglichen Spintronik und MRT der nächsten Generation

Sensoren, die im Rahmen des DIADEMS-Projekts entwickelt wurden und in der Lage sind, Magnetfelder mit bisher unerreichter Genauigkeit zu messen, befinden sich auf dem Weg zur Kommerzialisierung. Die Technologie hat bereits zur Gründung von vier Startups geführt.

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Grundlagenforschung

Das DIADEMS-Projekt hat sich, seit CORDIS darüber im Jahr 2016 berichtet hatte, weit entwickelt. Damals wollte das Konsortium mithilfe künstlicher Diamanten Magnetfelder bis in den Nanometerbereich erfassen. DIADEMS ist jetzt abgeschlossen und hat alle Erwartungen übertroffen. Die Marktanwendungen sind zusammen mit einem möglichen neuen Projekt in Vorbereitung. Die Sensoren von DIADEMS basieren auf Stickstofffehlstellenzentren in hochreinen künstlichen Diamanten: Dabei wird ein einzelnes Kohlenstoffatom in einem hochreinen Einkristall-Diamanten durch ein Stickstoffatom ersetzt. Die benachbarte Gitterlücke erzeugt ein Stickstofffehlstellenzentrum. Dies wiederum ermöglicht die Entwicklung von Magnetometern im atomaren Maßstab mit sehr hoher Empfindlichkeit, die sich für verschiedene Anwendungen eignen. „Eine dieser Anwendungen ist ein magnetischer Weitfeldsensor zur Überwachung von elektronischen Schaltungen. Dies ist ein neues Werkzeug, das sehr komfortabel zu bedienen ist, da es bei Raumtemperatur und unter atmosphärischen Bedingungen funktioniert“, sagt Thierry Debuisschert, Koordinator von DIADEMS für Thales Research & Technology. „Weitere Anwendungen sind die experimentelle Charakterisierung von Schreib-/Leseköpfen für Festplatten hoher Dichte zur Erhöhung ihrer Kapazität, Kernspinresonanz (NMR) mit höherer Empfindlichkeit, geringeren Kosten und einem reduzierten Magnetfeld in MRT-Geräten, neue photonische Geräte zur Steigerung der Detektionseffizienz der Stickstofffehlstellen-Fluoreszenz, ein Spektrumanalysator für den GHz-Bereich und die Charakterisierung von Domänen in antiferromagnetischen Materialien“. Bei all dem Potenzial ist es keine Überraschung, dass in ganz Europa Nebenprojekte aus dem Boden schießen. So entwickelt der Projektpartner Attocube Systems derzeit eine Kombination aus Rasterkraft- und Konfokalmikroskop mit einem einzigen Stickstofffehlstellenzentrum als Sensor für den kommerziellen Einsatz. Element 6, ein weiterer Projektpartner, hat sein Portfolio bereits um fortschrittliche Materialien auf Basis von Stickstofffehlstellenzentren erweitert. „Insgesamt vier Startups wurden von den Projektpartnern ins Leben gerufen: NVision, SQUTEC, QNAMI und QZABRE“, erklärt Debuisschert. „Wir waren auch seit dem Ende des Projekts sehr aktiv“, fügt er hinzu. „Wir streben eine höhere Bandbreite, Empfindlichkeit und Auflösung an und untersuchen auch neue Anwendungen wie die Charakterisierung von Mikrowellenantennen oder hochempfindlichen Sensoren auf Basis von optischen Diamantresonatoren.“ Das Konsortium hat außerdem einen neuen Vorschlag für eine weitere Finanzierung im Rahmen von Horizont 2020 vorgelegt, der derzeit geprüft wird. Er würde ein dreifaches Ziel verfolgen: Entwicklung fortschrittlicher Anwendungen auf der Basis von Magnetfeldmessungen für Elektroautos, Früherkennung von Krankheiten, Biologie, Robotik und drahtloses Kommunikationsmanagement. Darüber hinaus sollen neue Sensoranwendungen geschaffen werden, um die Temperatur in einer Zelle zu erfassen, neue Zustände der Materie unter hohem Druck zu überwachen und elektrische Felder mit höchster Empfindlichkeit zu erfassen. Schließlich könnten neue Messwerkzeuge geschaffen werden, um sowohl die chemische Struktur einzelner Moleküle mittels NMR für die pharmazeutische Industrie als auch die Struktur von Spintronik-Geräten im Nanomaßstab zu ergründen. „Das neue Projekt würde die notwendigen Werkzeuge entwickeln, um diese Ziele zu erreichen: Diamantmaterial höchster Güte mit extrem niedrigem Verunreinigungsgrad, fortschrittliche Protokolle zur Überwindung von Reststörungen in Messverfahren und optimiertes Engineering für miniaturisierte und effiziente Geräte“, betont Debuisschert und hofft, dass diese Anwendungen innerhalb des Zeitrahmens des FET-Flaggschiffs der EU für Quantentechnologien entstehen werden.

Schlüsselbegriffe

DIADEMS, Sensoren, Spintronik, MRT, Diamant, Magnetfelder

DIAmond Devices Enabled Metrology and Sensing

Sensoren auf Diamantbasis ermöglichen Spintronik und MRT der nächsten Generation

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