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Forschergruppe Magnetometrie

Wissenschaftliches Profil

Magnetfelder verschiedener Ausprägung sind allgegenwärtig. Ihre hochpräzise Vermessung kann Aufschluss über deren Quellen in verschiedenen Bereichen der Lebens- und Umweltwissenschaften geben. Daher sind Magnetfeldsensoren heute nicht nur in Forschung und Industrie zu finden, sondern auch in vielen Bereichen des Alltags wie z.B. in Smartphones.

Die Forschungsgruppe Magnetometrie widmet sich der Entwicklung und Anwendung neuer miniaturisierter und höchstempfindlicher Magnetfeldsensoren. Zentrales Element sind optisch gepumpte Magnetometer (OPM) für neue bildgebende und multimodale Verfahren in biophotonischen und geophysikalischen Anwendungen.

Im weiteren Fokus liegt die Erforschung von Quanten-, quantenoptischen sowie atomphysikalischen Phänomenen sowie innovativen Materialien für den Aufbau von photonischen Magnetometern und Quantensensoren. Die Forschungsarbeiten decken die vollständige Kette von den Grundlagen, über innovative Aufbau-, Verbindungs- und Systemtechnologien bis zu komplexen Messinstrumenten ab. Die Palette reicht von Einzelsensoren höchster Auflösung bis hin zu Sensorarrays in bildgebenden Kameras, sowie speziellen Quantenschaltungen und hybriden Systemen.

Schema einer OPM-basierten Magnetfeldkamera. Sie erlaubt die räumlich aufgelöste Messung von Magnetfeldverteilungen, z.B. lebender Kleintiere, mit pT-Empfindlichkeit, mm-Auflösung bei Videorate. Jeder der einzelnen Laserstrahlen definiert ein einzelnes „OPM-Pixel“ in der ausgedehnten, dünnen Dampfzelle.
Abb. 2: OPM bei Erprobung im Feld.
Abb. 3: Instrument mit Leibniz-IPHT Sensorik in Erprobung einer elektromagnetischen Methode zur Rohstoffexploration bei Kiruna (Nordschweden). (Quelle: Maxim Smirnov, LTU)

Forschungsthemen

Der Fokus der Arbeitsgruppe richtet sich auf Wirkprinzipien, Herstellung, Betrieb und Systemintegration von Magnetometern und Quantensensoren auf Basis der Mikro- und Nanotechnologien, die auch als Ausgangspunkt für grundlegende Untersuchungen im Bereich Quantentechnologien und Anwendungen im Bereich wissenschaftlicher Instrumentierung genutzt werden. 

  • Entwicklung von Quantensensoren auf Basis von optisch gepumpten Magnetometern (OPM): integrierte, miniaturisierte OPM-Sensoren und Arrays für die biophotonische Bildgebung und Geo- und Umweltwissenschaften, neuartige Auslesemodi, faserbasierte OPMs,
  • Untersuchung grundlegender Quantenphänomene und Überführung in reale Anwendungen: Entwicklung und Design mikrostrukturierter Festkörper-Quantenschaltungen für hochempfindliche Detektoren und Quantenschaltungen,
  • Aufbau- und Verbindungstechnologien (AVT), Systemtechnologien als Kerntechnologien des Leibniz-IPHT,
  • Untersuchung zu Eigenschaften und Anwendungen neuer Materialien wie z.B. NbN,
  • Maßgeschneiderte, komplexe Instrumente für verschiedene Anwendungen und Plattformen einschließlich innovativer Datenverarbeitungs- und 3D-Inversionstechniken.

Anwendungsbereiche

Anwendungsgebiete ergeben sich in verschiedensten Forschungsgebieten und der Praxis immer da, wo die hochempfindliche Detektion von Magnetfeldern essentiell ist. Diese reichen von Medizin, über Umwelt und Geowissenschaften bis hin zu physikalischer Grundlagenforschung und Quantentechnologien.

Grundlagenforschung

  • Licht-Materie Wechselwirkung 
  • Quantenphänomene in Festkörpersystemen
  • Quantenmetamaterialien, Multi-Qubit Schaltungen
  • Physik jenseits des Standardmodells

Gesundheitstechnologien, Medizin

  • Biomagnetismus – (fetale) Magnetokardiographie und -enzephalographie, 
  • Biosuszeptometrie,
  • Magnetische Substanzen und ihre Eigenschaften - Magnetorelaxometrie

Umwelt- und Geowissenschaften

  • Exploration: magnetische Verfahren (Vektormagnetometrie und Volltensorgradiometrie) und elektromagnetische Verfahren
  • geo- und ingenieurtechnische Anwendungen z.B. UXO, Baugrunderkundung
  • Biomagnetismus z.B. Untersuchung magnetotaktischer Bakterien (Universität München)
  • Archäologie

Sicherheit

Wissenschaftliche Instrumentierung

  • Quantenschaltungen: 

    • Mikrowelleneinzelphotonendetektoren, supraleitende Quanten-interferenz-detektoren (SQUID)
    • Auslese-, Kontroll- und Interfaceschaltungen: Mikrowellenmultiplexer, supraleitende Digitalelektronik (AQFP, RSFQ), 

  • Physik jenseits des Standardmodells z.B. Suche nach Axionen: mit OPMs in GNOME (externer Link), Mikrowellenverstärker
  • Diagnoseinstrumente für die Beschleunigerphysik z.B. Kryogene Stromkomperatoren (CCC)
  • XUV – Spektroskopie
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Feldversuch mit dem "Terra-Scanner"
Mit Hilfe eines aktiven elektromagnetischen Verfahrens zur Erfassung der Bodenleitfähigkeit wollen Dr. Sven Linzen (rechts) und Stefan Dunkel ein besseres Verständnis über geologische Strukturen erhalten.