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Quantensensoren zur Messung von Magnetfeldern

In optisch gepumpten Magnetometern werden gasförmige Atome als empfindliche Magnetfeldsonden eingesetzt. Dazu wird der quantenmechanische Zustand der Atome mit Laserlicht präpariert und die Wirkung eines Magnetfelds auf diesen mit Laserlicht ausgelesen. Bei der Präparation werden die Spins, der in einer Gaszelle befindlichen Atome zu einer kohärenten Rotation angeregt, sie werden dabei in einen bestimmten Spinzustand „gepumpt“. In einem Magnetfeld präzedieren die Spins dann kollektiv mit der Larmorfrequenz, die proportional zur magnetischen Flussdichte ist. Diese Wirkung auf den quantenmechanischen Zustand der Atome wird dann mittels laserspektroskopischer Methoden ausgelesen.

OPMs haben sich in den letzten beiden Dekaden rasant entwickelt und erreichen bereits ähnliche Empfindlichkeiten wie SQUIDs, ohne dabei kryogene Temperaturen zu erfordern. Als gasförmige Atome dienen z.B. verdampfte Alkalimetalle, wie Kalium, Rubidium oder Cäsium. Zudem können die Sensoren letztendlich klein und flexibel sein, sodass sie vorher nicht realisierbare Anwendungen – z.B. in der Medizin – ermöglichen.

Wir arbeiten daran OPMs weiterzuentwickeln um sie für neue Anwendungsgebiete in der Medizinphysik (z.B. Detektion und Abbildung magnetischer Nanopartikel) und in der Grundlagenphysik (z.B. genaue Messung kleinster Magnetfelder) einzusetzen. 

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Eine der Hauptanwendungen von SQUIDs sind biomagnetische Messungen, wie z.B. Magnetoencephalography oder MR Bildgebung im Niedrigfeld. Diese verlangen den Betrieb der SQUID Systeme in rauscharmen Kryogefäßen um möglichst sensitiv die magnetischen Signale des menschlichen Körpers detektieren zu können. Durch eine spezielle Konstruktion des Kryogefäß wurde dessen Rauschbeitrag auf ein vernachlässigbares Niveau minimiert und Rekordrauschwerte von unter 200 aT Hz-1/2 erreicht.

Zusätzliche Innovationen sind auf dem Gebiet durch verbesserte Fertigungsmöglichkeiten erreichbar. So wurde die Größe des Josephson Kontakts auf den nanometer-Bereich verkleinert was zu einer weiteren Verringerung des Rauschens führt. Auf dessen Basis können neuartige SQUID Systeme aufgebaut und somit neue Anwendungen sowohl im Biomagnetismus als auch in der Grundlagenforschung erschlossen werden.

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Das Gerätezentrum ''Metrologie für ultra-niedrige Magnetfelder'' ermöglicht es externen Wissenschaftlern, Know How und Zugang zu Infrastruktur zur Messung extrem kleiner Magnetfelder zu erhalten. Als Sensoren dienen selbst entwickelte SQUID-Magnetometer, die Magnetfelder bis hinab zu wenigen Femtotesla erfassen. Mit einem Rauschen von bis hinab zu 150 aT/sqrt(Hz) betreibt der Fachbereich beispielsweise eines der empfindlichsten SQUID-Systeme weltweit. Das Herstellen unmagnetischer Aufbauten sowie die Auswahl geeigneter Materialien durch vorhergehende Charakterisierung bilden in diesem Zusammenhang eine wesentliche Grundvoraussetzung. 

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