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Quantenmagnetfeldsensoren

Paarweise: Elektronenpärchen tunneln durch eine Barriere in einem SQUID
Paarweise: Elektronenpärchen tunneln durch eine Barriere in einem SQUID

Einen Sinn für Magnetfelder hat homo sapiens nicht. Als homo technicus jedoch bedient sich der Mensch einer großen Anzahl unterschiedlicher technischer Sensoren. Um etwa Magnetfelder im lebenden Organismus zu detektieren oder gezielt in der medizinischen Bildgebung einzusetzen, werden zunehmend Quanteneffekte ausgenutzt, um Informationen zu sammeln, die auf klassischem Wege unerreichbar sind.

 

 

  • Medizinische Bildgebung: Um in den Menschen hineinzusehen (ohne ihn aufzuschneiden), hat die Medizin ein Arsenal an Methoden entwickelt. Eine Möglichkeit, ein Bild des Inneren zu bekommen, besteht darin, die sehr schwachen Magnetfelder zu messen, die unser Gehirn beim Denken oder unser Herz beim Schlagen produziert. Sensoren, die sehr empfindlich auf solche schwachen Magnetfelder reagieren, nutzen Quanteneffekte, beispielsweise die Supraleitung, aus.
  • Medizinische Biomarker: Manchmal muss die Medizin „Spione“ einsetzen, um herauszubekommen, was im Innern vorgeht. Werden in den Körper des Patienten etwa Nanopartikel eingeschleust, so kann deren Weg über gewisse Partikeleigenschaften, z. B. deren Magnetismus, verfolgt werden.
  • Quantenkommunikation:: Aber auch jenseits der Medizin können diese extrem empfindlichen Magnetfeldsensoren eingesetzt werden. So lassen sich mit diesen Sensoren einzelne Photonen detektieren – eine wichtige Voraussetzung für die Grundlagenforschung und für Anwendungen der Quantenkommunikation.

Für die Detektion sehr schwacher Magnetfelder sind „Superconducting Quantum Interference Devices (SQUIDs)“ als hochempfindliche Sensoren besonders geeignet. Diese spezielle Quantentechnologie wird in der PTB, zusammen mit der dafür nötigen Kryotechnik, seit Langem auf Spitzenniveau entwickelt, hergestellt und für Messungen verwendet. So werden SQUID-Magnetometer schon seit Jahren benutzt, um etwa die minimalen Magnetfelder zu messen, die von der neuronalen Aktivität des menschlichen Gehirns erzeugt werden. Sowohl bei der Herstellung solcher SQUIDs (per Supraleiter- Dünnschichttechnologie) als auch bei der darauf aufbauenden Messtechnik nimmt die PTB eine weltweit führende Position ein. Ergänzt wird die SQUID-Technologie in der PTB durch sogenannte „Optically Pumped Magnetometers (OPM)“, bei denen atomare Spins mit Laserlicht „ausgelesen“ werden und die im Gegensatz zu SQUIDs ohne die Kühlung zu tiefen Temperaturen (etwa des flüssigen Heliums) auskommen.

Die Magnetfelder in lebenden Organismen sind derart klein, dass demgegenüber das Erdmagnetfeld oder die Magnetfelder unserer elektrifizierten Welt gigantisch groß sind. Ihre biomagnetischen Referenzmessungen, die dem klinischen Alltag vorgeschaltet sind, führt die PTB daher in einem speziell geschirmten Raum durch, dem „magnetisch stillsten Ort“ der Welt („Berlin Magnetic Shielded Room, BMSR“). Diese Einrichtung und die zugehörige Technik stehen auch externen Partnern aus Industrie und Forschung offen.

FachinformationenFachinformationen

Kryosensoren nutzen physikalische Phänomene bei tiefen Temperaturen, zum Beispiel die Supraleitung. Mit Supraleitenden Quanteninterferometern (SQUIDs) lassen sich physikalischen Größen messen, die in einen magnetischen Fluss umgewandelt werden können.  Dazu zählen primär Magnetfelder und magnetische Materialparameter, aber auch elektrische Ströme und Temperaturen. Kryosensoren und SQUIDs ermöglichen Präzisionsmessungen in der Metrologie und der Grundlagenforschung, werden jedoch auch in kommerziellen Messsystemen für die Materialforschung oder die angewandte Geophysik verwendet.

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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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Optisch gepumpte Magnetometer zur Messung kleinster Magnetfelder

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 Lamorfrequenz, 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. 

Opens internal link in current windowLink zur AG 8.21

Unsere Messmöglichkeiten stellen wir im Rahmen des DFG geförderten Opens external link in new windowGerätezentrums externen Nutzern zur Verfügung.