Hoe maak je van een zeer complexe fysische laboratoriumopstelling een verkoopbaar product? “Minder is meer”, zegt dr. Robert Staacke, wiens start-up zich richt op optische quantumsensoren: “zoveel mogelijk weglaten tot alleen de essentie overblijft. Een minimum aan functies die in een handzaam apparaat passen en die ook zonder een diploma natuurkunde te begrijpen zijn.” Industriële magnetometers van Quantum Technologies willen een revolutie teweegbrengen in de sensortechnologie voor onder andere de Automotive sector. Ze worden ondersteund door de distributeur reichelt elektronik, die al snel overtuigd was van de technologie en een partnerschap met het bedrijf aanging.
Meettaken in de fabrieks- en procesautomatisering, maar ook in de automobiel- en medische technologie, stellen sensoren voortdurend voor nieuwe uitdagingen. Er zijn nauwkeurige, reproduceerbare en schaalbare methoden nodig die nuttig kunnen worden geïntegreerd in toepassingen onder ongunstige bedrijfsomstandigheden – bij hoge of lage temperaturen, in elektromagnetische velden of met beperkte installatieruimte. Op het gebied van magnetometrie, of magnetische veldmeting, staan kwantumsensoren al enkele jaren in het middelpunt van de belangstelling. Kwantumsensoren kunnen een buitengewone gevoeligheid en nauwkeurigheid bereiken in vergelijking met conventionele sensoren. In tegenstelling tot bijvoorbeeld Hall-effect- of magnetoresistieve sensoren, reageren ze direct op temperatuurschommelingen en meten ze zonder hysterese. Dit is gebaseerd op kwantumfysische interacties op subatomaire schaal, die bijvoorbeeld in diamantkristallen kunnen worden gegenereerd en gecontroleerd.
Met diamanten en laser voor magnetische veldmeting
Het bedrijf Quantum Technologies, een spin-off van de Universiteit van Leipzig, ontwikkelt zich sinds 2020 op het gebied van kwantummagnetometers. De gebruiksdoeleinden zijn onder meer zeer gevoelige hoekencoders, krachtige sensoren voor stroomsensoren en de bewaking van elektromotoren. “Dit zijn allemaal problematische toepassingsgebieden”, zegt Dr. Robert Staacke, medeoprichter en CEO van Quantum Technologies, “zelfs voor kwantumsensoren. De noodzakelijke koeling is een nadeel bij de integratie van de meetmethoden, maar er is daarbij ook microgolfstraling vereist. Dit kan warmte genereren en het is moeilijk om de sensor en de meetomgeving galvanisch te isoleren.” Obstakels die Staacke en zijn team met hun werk willen overwinnen.
Als promovendus in Leipzig had Staacke al onderzoek gedaan naar magneetveldsensoren die gebruik maken van kwantumeffecten. De wetenschappers richten zich meestal op zogenaamde kleurcentra, in het bijzonder stikstof-vacancycentra (NV), in diamantkristallen. Ze zijn geschikt voor het optisch meten van magnetische velden en veranderingen hierin. NV-centra worden gevormd wanneer een van de koolstofatomen in de kristalstructuur van de diamant – een modificatie van het element koolstof – wordt vervangen door stikstof, terwijl een naburig koolstofatoom ontbreekt. Dit defecte paar van stikstofatoom (N) en roosterleegte (V) wordt gekenmerkt door het feit dat het een spin van één heeft. Externe magnetische velden beïnvloeden de energieniveaus van de spintoestanden van het centrum, wat op zijn beurt resulteert in een waarneembare verandering in fluorescentie. Licht kan gebruikt worden om het NV-centrum energetisch te prikkelen. Als de resulterende fluorescentie wordt gecontroleerd, kunnen conclusies worden getrokken over de sterkte van het magnetische veld.
Microgolven verbannen uit de sensor
In tegenstelling tot bijvoorbeeld SQUID’s (Superconducting Quantum Interference Devices), kunnen NV-magnetometers verdere meetbereiken registreren en werken tot kamertemperatuur en verder. Wel is het meestal nodig om de NV-centra ruim af te stemmen op het magnetische veld en om microgolfstraling te gebruiken. Hoewel NV-sensoren niet de complexe koelapparatuur vereisen die nodig is voor SQUID’s, vereisen de microgolven wel speciale opstellingen. Bijvoorbeeld antennes dicht bij de diamant of afschermingsbehuizingen om de gevoeligheid van de meting te verhogen. De innovatieve technologie van Quantum Technologies volgt daarom een aanpak die onafhankelijk werkt van de richting van het magnetische veld en zonder microgolfstraling: in plaats van een uitgebreid en homogeen diamantkristal worden diamantnanodeeltjes gebruikt op de punt van een optische vezel. De statistisch verdeelde oriëntatie van de deeltjes elimineert de onvermijdelijke richtingsafhankelijkheid – de anisotropie – van de materiaaleigenschappen in kristallen. De meting van het magnetisch veld wordt nu isotroop.
Deze technologie heeft twee doorslaggevende voordelen. Ten eerste werken de sensoren puur optisch. Ze kunnen gemakkelijk aan het uiteinde van een optische vezel worden geplaatst zonder elektrisch geleidend of magnetisch materiaal. De meting kan dus galvanisch worden ontkoppeld en niet worden beïnvloed door elektrisch-magnetische storingsbronnen. Ten tweede is de meetopstelling klein, eenvoudig en kan deze ook worden geïntegreerd in moeilijk toegankelijke toepassingen, zoals elektromotoren.
Dit was niet altijd het geval. Het typische beeld van een laboratorium waar onderzoek wordt gedaan in NV-centra toont ingewikkelde testopstellingen, enorme optische tafels bezaaid met componenten en apparaten. “In het begin“, vertelt Staacke, “hadden we dan ook twijfels: hoe kan hier ooit een product uit voortkomen?” De aanpak van zijn team was enigszins atypisch voor de wetenschap, die meestal gaat over nog preciezer meten met nog meer complexiteit om nog een fysiek effect bloot te leggen. “We stelden onszelf vooral de vraag: hoe kunnen we de complexiteit verminderen, het systeem vereenvoudigen? Wat kunnen we weglaten zodat ons product toch een voordeel heeft dat de huidige stand van de techniek niet biedt?“
Dit is het minimum van de kwantumsensor
Staacke beschrijft de minimaal benodigde apparatuur als volgt: “We hebben diamanten nanodeeltjes, een lichtbron en een detector nodig. Vervolgens analyseren we de rode fluorescentie, en dat is alles wat we echt nodig hebben. Dit is niet de meest gevoelige sensor die met NV-centra kan worden gerealiseerd, maar we krijgen wel galvanische scheiding. De diamanten nanodeeltjes geven ons een isotrope meetoptie en een minuscuul meetpunt, wat volledig nieuwe toepassingsmogelijkheden opent.”
De directionele en ontkoppelde meting en de kleine voetafdruk van de sensor zijn essentieel voor de toepassingen die Quantum Technologies wil openen: direct in de luchtspleet van een elektromotor bijvoorbeeld, of in de batterij van een elektrisch voertuig, in hoogspanningsenergiesystemen, in invasieve medische technologie en radiologie of in niet-destructieve inline materiaaltests voor de metaalindustrie.
In de praktijk vindt Staacke het belangrijk dat de rode fluorescentie van wisselende intensiteit een uitgangssignaal oplevert dat makkelijk te interpreteren is: “De fysische relaties achter de meting zijn echt ingewikkeld. Maar iedereen kan veranderingen in helderheid gemakkelijk begrijpen, zelfs zonder een kwantumfysicus te zijn.”
Een enkel meetpunt is een van de eenvoudigere toepassingsscenario’s. Ook scanprocessen, bijvoorbeeld met een bewegende sensor bij materiaalkarakterisering, zijn volgens Staacke nog relatief eenvoudig te implementeren. Het idee van een kwantummagneetveldcamera is wat complexer, maar ook hiervoor zijn al demonstrators opgezet. Staacke legt uit: “We bedekten een groot gebied met diamanten nanodeeltjes, wekten ze op met een LED en observeerden vervolgens de rode fluorescentie met behulp van een CCD-camera.”
Opkomende markten, ervaring opdoen
Demonstratiemodellen voor positie- en frequentiemeting op roterende magneten, voor de bewaking van elektromotoren en ook de megapixel magneetveldcamera zijn bedoeld om toekomstige klanten van Quantum Technologies de praktische voordelen – en de verschillende toepassingen – te laten zien. Om de markttoetreding te versnellen, ging het bedrijf vorig jaar een samenwerking aan met reichelt elektronik.
Christian Reinwald is daar hoofd productmanagement en marketing; Hij ziet deze samenwerking als een kans om in een vroeg stadium aanwezig te zijn in een opkomend technologiesegment. “Als distributeur zijn we blij dat we een start-up met een uitzonderlijk technologisch potentieel kunnen ondersteunen bij de ontwikkeling van zijn industriële markten”, zegt Reinwald over de samenwerking. Tegelijkertijd heeft reichelt de mogelijkheid om de eerste ervaring op te doen met de toepassing van quantumsensortechnologie. Dit is uiterst waardevol, aangezien distributieklanten in de toekomst zullen profiteren van de bevindingen.
De QT DMFS-C2 kwantummagnetische veldsensor van Quantum Technologies is momenteel verkrijgbaar in het verkoopprogramma van reichelt elektronik. Uitgerust met een multimode glasvezel en gespecificeerd voor bedrijfstemperaturen van 15 tot 25 °C en een excitatievermogen van 5 mW, is de robuuste en compacte sensor geschikt voor de volledig optische, galvanisch gescheiden en isotrope meting van de magnetische veldsterkte in het bereik van 0 tot 75 mT. Het enige dat nodig is, is een excitatielichtbron voor het genereren en een fotodetector voor het observeren van de fluorescentie, maar geen microgolfstraling. Naast de fotodiode zijn geschikte filters in de detector nodig om de excitatiegolflengte te onderdrukken. Deze en andere toepassingsvereisten, evenals de specificaties van de kwantumsensor, worden in detail gedocumenteerd door de distributeur.
Conclusie: het volgende niveau van sensorintegratie
Van het onderzoekslaboratorium in Leipzig tot industriële sensortoepassing: Robert Staacke en Quantum Technologies zijn erin geslaagd om complexe kwantumfysica in slechts enkele jaren om te zetten in een handzaam, gebruiksvriendelijk industrieel product. De mogelijkheden voor robuuste en isotrope magnetische veldmeting in de kleinste ruimtes zullen ontwikkelingsingenieurs in staat stellen sensortechnologie te integreren in volledig nieuwe meetscenario’s en in voorheen onbereikbare toepassingen in automatiserings-, voertuig- en medische technologie. De samenwerking met reichelt elektronik versnelt de marktintroductie van quantumsensoren en helpt de bijbehorende toepassingskennis te verdiepen.
Afbeeldingen: Quantum Technologies
