Ein mikrowellenfreier, quantenbasierter Magnetfeldsensor – das ist das Ergebnis des Forschungsprojektes „RaQuEl“ mit Beteiligung der FH Münster. Nun erhielt das zugrundeliegende Verfahren ein Patent.
Quantentechnologien revolutionieren die Welt durch extrem schnelle Berechnungen, abhörsichere Kommunikation und hochpräzise Sensoren. Die Branche entwickelt sich rasant – laut einer Studie des Europäischen Patentamtes hat sich die Zahl der internationalen Patentfamilien im Bereich der Quantentechnologien in den vergangenen zehn Jahren verfünffacht. Deutschland liegt dabei europaweit an der Spitze. Eines dieser Quantenpatente ging nun an unsere Hochschule: Dr. Ludwig Horsthemke vom Fachbereich Elektrotechnik und Informatik hat gemeinsam mit der Firma Quantum Technologies GmbH ein neues Verfahren zum Betrieb eines temperaturkompensierten mikrowellenfreien NV-Magnetometers erfunden.
Das Verfahren entstand im Rahmen des vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) geförderten Verbundprojektes „Raumtemperatur-Quantensensorik für die Elektromobilität“ (RaQuEl) unserer Hochschule in Zusammenarbeit mit der Universität Leipzig, Quantum Technologies GmbH, duotec GmbH, und Elmos Semiconductor SE. Darin entwickelten die Wissenschaftler*innen einen in seiner Kombination einzigartigen Quantensensor, der Magnetfelder rein optisch und ohne den sonst üblichen Einsatz von Mikrowellen misst. Der Sensorkopf ist zudem extrem klein und ermöglicht gleichzeitig eine sehr lokale, richtungsunabhängige Messung und hohe räumliche Auflösung. Er besteht aus einer Glasfaser, an dessen Spitze Diamanten mit einer hohen Dichte künstlich erzeugter Stickstoff-Vakanz-Zentren – kurz NV-Zentren („nitrogen-vacancy center“) – aufgesetzt werden.
Die Idee, Magnetfelder mithilfe von NV-Zentren in Diamanten zu vermessen, sei zwar grundsätzlich nicht neu, erklärt Horsthemke zum Hintergrund. „Allerdings waren bisherige Verfahren teuer und kompliziert im Aufbau. Es waren außerdem hochfrequente elektromagnetische Wellen, speziell Mikrowellen, erforderlich, die den Messort erhitzen und teilweise das Messergebnis beeinflussen.“ Der neue Sensor nutze stattdessen die Magnetfeldabhängigkeit der Spinzustände der NV-Zentren und deren rote Fluoreszenz. Für eine Magnetfeldmessung werde grünes Licht in die Glasfaser injiziert und danach die sogenannte Fluoreszenzlebenszeit der NV-Zentren analysiert. Das ist die Zeit, die ein Molekül nach Lichtanregung im angeregten Zustand bleibt, bevor es durch Aussenden von Licht in den Grundzustand zurückkehrt.
Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
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Ursprünglich mit Fokus auf die Elektromobilität entwickelt könne der neue, leicht transportable und kostengünstige Quantensensor nun zum Beispiel selbst geringe elektrische Ströme in Elektroautos präzise und schnell messen und somit Auskunft über den Lade- und Gesundheitszustand der Batterie geben, erläutert Projektkoordinator Prof. Dr. Peter Glösekötter. „Neue denkbare Einsatzbereiche sind außerdem die Strommessung im Hochspannungsbereich, die Werkstoffprüfung oder die Medizintechnik.“ Die Patenterteilung unterstreiche den erfolgreichen Transfer in die industrielle Anwendung und schaffe die Grundlage für zukünftige technologische Entwicklungen. Dr. Bernd Burchard von Elmos Semiconductor SE ergänzt: „Aus meiner Sicht sind raumtemperaturfähige Quantensensoren wichtige Alternativen zu herkömmlichen Hall-Sensoren, wo diese nicht anwendbar sind. Die sehr erfolgreiche Zusammenarbeit mit der FH Münster haben wir inzwischen durch ein Studierendenlabor im Gründerzentrum GRIPS am Technologie-Campus Steinfurt institutionalisiert.“
Am Fachbereich Elektrotechnik und Informatik fließen die Erkenntnisse aus dem Projekt und dem neuen Verfahren indes in neue Forschungsprojekte ein. Horsthemke arbeitet mittlerweile im deutsch-niederländische Forschungsprojekt „NanoDetect“ mit, das sich der Verbesserung der Therapiechancen von Krebspatient*innen widmet. Auch im internationalen Verbundprojekt „QuantumIRES – Increasing control and efficiency in regional energy systems using quantum sensors and machine learning” gibt es Anknüpfungspunkte. Darin entwickeln Wissenschaftler*innen der FH Münster, der HES-SO, der Universität Granada und der Universität Craiova zusammen mit Industriepartnern ebenfalls hochpräzise Quantensensoren zur Optimierung der Energieversorgung. Weitere Patentanmeldungen aus Glösekötters Team befinden sich derweil im Prozess.
Foto: FH Münster/Jana Bade
Weitere Informationen und Textquelle: https://www.fh-muenster.de/de/ueber-uns/newsroom/news/eti/neues-verfahren-im-bereich-der-quantentechnologie-patentiert (abgerufen am 13.02.26)