Forschende entwickeln hoch­empfindliche optische Quantenmagnetometer, die tief verborgene mineralische Ressourcen ­sichtbar machen

Optische Quantenmagnetometer könnten die Suche nach Rohstoffen effizienter und umweltfreundlicher machen. Die Arbeitsgruppe Quantenmagnetometrie am Leibniz-IPHT hat ein Verfahren entwickelt, das Magnetfelder mit hoher Präzision misst – ohne aufwendige Kühlung. Die Technologie könnte auch neue Möglichkeiten für Medizin und Industrie eröffnen.

Im Inneren der silbernen Abschirmtonne im Labor der Forschungsabteilung Quantensysteme herrschen kontrollierte Bedingungen. Die Tonne blockiert äußere Magnetfelder – vom Erdmagnetfeld bis zu Störungen durch Laborgeräte – und ermöglicht so exakte Messungen. Darin erzeugt ein Halbach-Zylinder ein homogenes Magnetfeld. Hier testen Dr. Thomas Schönau und Prof. Dr. Ronny Stolz ein optisch gepumptes Vektormagnetometer. Eine winzige Cäsiumdampfzelle reagiert auf kleinste Änderungen im Magnetfeld. Ein Laser regt die Atome in der Zelle an, ihre Wechselwirkung mit dem Magnetfeld wird über das transmittierte Licht ausgelesen.

„Die Technologie erreicht eine Empfindlichkeit, die bisher nur mit supraleitenden Magnetometern (SQUIDs) möglich war – kommt aber ohne deren aufwendige Kühlung aus“, erklärt Ronny Stolz. Er und sein Team haben das optische Quantenmagnetometer so entwickelt, dass es einzelne Vektorkomponenten des Erdmagnetfelds bestimmen kann, eine zentrale Voraussetzung für ­geophysikalische Anwendungen.

Neue Möglichkeiten für Wissenschaft und Technik

Das Magnetometer wurde im Rahmen des Projekts OPTEM entwickelt, das optische Methoden für die Rohstofferkundung erforscht. Die Sensoren sollen die etablierten supraleitenden Systeme ersetzen, die bislang für geophysikalische Messungen genutzt wurden. Da sie ohne kryotechnische Kühlung auskommen, sind die neuen Magnetometer energieeffizienter.

Doch die Einsatzmöglichkeiten gehen über die Geophysik hinaus. Die hohe Empfindlichkeit der Sensoren macht sie auch für medizinische Anwendungen interessant. „Langfristig könnten sie genutzt werden, um biomagnetische Signale des Herz- und Nervensystems zu erfassen und so neue Ansätze für nichtinvasive Diagnostik zu ermöglichen“, so Stolz. Auch in der Industrie könnten die Magnetometer zum Einsatz kommen – etwa zur zerstörungsfreien Materialprüfung. Und in der Archäologie ließen sich mit ihrer Hilfe verborgene Strukturen im Boden ohne Grabungen aufspüren.

Von der Rohstoffsuche bis zur Medizin

Der nächste Schritt ist die Miniaturisierung des Systems. „Unser Ziel ist es, das Magnetometer in kompakte, tragbare Geräte zu integrieren“, erklärt Thomas Schönau. „Wir sehen großes Potenzial für mobile und kostengünstige Sensoren.“ Die Forschenden haben das Verfahren bereits zum Patent angemeldet.

Das Leibniz-IPHT erforscht vielfältige optische Verfahren, um physikalische Größen mit höchster Präzision zu messen – von molekularen Strukturen bis hin zu elektromagnetischen Feldern. Auch die neuen Magnetometer folgen diesem Prinzip: Sie nutzen Licht, um selbst feinste magnetische Signale berührungslos zu erfassen. „Damit erweitern wir das Spektrum der optischen Messtechnik und erschließen neue ­Anwendungen“, betont Ronny Stolz.

Original-Publikation: https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.23.024006