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Quantenmagnetometrie

Wissenschaftliches Profil

Die Arbeitsgruppe Quantenmagnetometrie widmet sich der Erforschung und Entwicklung atomarer Quantensensoren zur höchstempfindlichen Detektion von Magnetfeldern in biophotonischen und geophysikalischen Anwendungen sowie als Werkzeuge der physikalischen Grundlagenforschung. Zentraler Forschungsgegenstand sind optisch gepumpte Magnetometer (OPM) für innovative und insbesondere bildgebende Verfahren zur direkten Messung des Magnetfeldes oder dazu transformierbarer Größen. Die Forschung reicht von der grundlegenden Untersuchung der Licht-Materie-Wechselwirkung, den darauf basierenden maßgeschneiderten Sensorprinzipien, über ihre Umsetzung in integrierten Demonstratorsystemen bis hin zu vollständigen, feldtauglichen bzw. anwendungsspezifischen Messinstrumenten. Dazu gehören die mikrosystemtechnische Herstellung von einzelnen funktionalisierten Alkalidampfzellen bis hin zu bildgebenden Arrays, die Nutzung innovativer Aufbau- und Verbindungstechnologien zur Systemintegration sowie die Entwicklung angepasster Sensorelektronik. Hinzu kommen komplexe Datenauswertungs-, Inversions- und Interpretationsmethoden in welche die langjährigen Erfahrungen mit supraleitenden Magnetfeldsensoren einfließen.

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 Alkalidampfzelle.
Messaufbau mit Kopfphantom und OPM-Sensor
OPM bei Erprobung im Feld.

Forschungsthemen

  • Erforschung neuartiger Wirkprinzipien, Betriebsmodalitäten und Ausleseverfahren der OPM hinsichtlich einer Optimierung z.B. der Empfindlichkeit und Auflösung bis hin zum Quantenlimit, Genauigkeit, Ausrichtungs- und Bewegungsinvarianz oder der Skalierbarkeit zu Vielkanalsystemen,
  • Miniaturisierung der Sensoren und -arrays durch mikrosystemtechnisch, waferskalig hergestellte, funktionalisierte Alkalidampfzellen und Nutzung kompakter Optik und Optoelektronik,
  • Entwicklung maßgeschneiderter Sensorsysteme für Anwendungsszenarien in der biophotonischen Bildgebung sowie den Geo- und Umweltwissenschaften auf verschiedensten Plattformen,
  • Forschung zu innovativen Datenprozessierungs- und magnetischen 3D-Inversionstechniken.

Anwendungsbereiche

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

  • (fetale) Magnetokardiographie,
  • biophotonische Magnetfeld-Bildgebung, Biosuszeptometrie,
  • Detektion, Lokalisation und Relaxometrie magnetischer Nanopartikel,
  • Detektion magnetotaktischer Bakterien,
  • geophysikalische Exploration: magnetische Verfahren (Vektormagnetometrie und Volltensorgradiometrie) und elektromagnetische Verfahren,
  • Physik jenseits des Standardmodells z.B. Suche nach Axionen als Kandidaten dunkler Materie innerhalb von GNOME.
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