Die hochempfindliche Detektion von Magnetfeldern ist in vielen Forschungsfeldern und Anwendungen wichtig. Beispiele liegen im Bereich des Biomagnetismus, wo Signale des Hirns oder des (fötalen) Herzens die medizinische Diagnostik unterstützen, und innerhalb der Geophysik, wo z. B. die genaue Charakterisierung von Anomalien im Erdmagnetfeld der Mineralexploration und der Archäologie dient.

Der Artikel stellt eine systematische Untersuchung eines neuartigen photonischen Quantensensors dar, der für den Einsatz in diesen Anwendungsfeldern entwickelt wurde. Die extreme Herausforderung eines hochempfindlichen Sensorbetriebs im Erdmagnetfeld – viele Größenordnungen stärker als die schwachen, zu messenden Signale – wurde mithilfe eines neuartigen Ausleseschemas und eines Sensorsystemdesigns angegangen, das eine tragbare und batteriebetriebene Realisierung ermöglicht und Rauschbeiträge reduziert. In umfangreichen Studien und mit einzigartigem Know-how von Projektpartnern aus der Thüringer Industrie haben die Forschenden einen vollintegrierten Demonstrator realisiert und dessen grundlegende Nachweisgrenzen durch theoretische Analysen evaluiert. Zudem ließen sie den neuartigen Demonstrator mit einem hochmodernen, bereits in Anwendung befindlichen Magnetfelddetektor auf Basis supraleitender Schaltkreise konkurrieren. Durch Messungen in abgeschirmter Umgebung identifizierten die Forschenden Rauschquellen und ermittelten ein Magnetfeldrauschen von 140 fT / √Hz in einer Signalbandbreite von bis zu 250 Hz. So wird der Nachweis von Signalen ermöglicht, die etwa acht Größenordnungen kleiner als das Erdmagnetfeld sind, sowie die Leistungsfähigkeit der Quantensensorik unter realen Anwendungsbedingungen aufgezeigt. Im Zuge dessen wurde das Potential zur Optimierung der Signalqualität, Bandbreite und Magnetfeldauflösung für das im Bau befindliche Gerät der nächsten Generation identifiziert.

Die Arbeit zeigt den Weg von der Idee einer neuartigen Arbeitsweise atomarer Quantensensoren bis hin zur Demonstration der Einsatzbarkeit in realen Messszenarien auf. Der Artikel skizzierte so den Weg von einer grundlegenden Quantentechnologie hin zur Anwendung von Quantensensoren in den Umweltund Lebenswissenschaften.