Les magnétomètres quantiques sont capables de détecter et de visualiser les moindres dommages dans les matériaux ferromagnétiques. Dans la technologie aérospatiale ou dans l'industrie automobile, ils peuvent contribuer à augmenter considérablement la résilience et la sécurité des systèmes et des matériaux.
C'est la conclusion à laquelle sont parvenus les chercheurs du projet de phare Fraunhofer, QMag, récemment achevé. Ils ont également étudié l'utilisation de magnétomètres quantiques en biomédecine, dans la mesure du débit et dans la production de puces.
Les défauts structurels tels que les fissures, les précipitations ou autres irrégularités dans les matériaux métalliques entraînent des modifications locales du champ magnétique, qui peuvent être testées de manière non destructive à l'aide de magnétomètres. Les magnétomètres quantiques sont beaucoup plus sensibles que les technologies conventionnelles et peuvent détecter même de minuscules changements magnétiques dans les matériaux.
"Dans l'ingénierie automobile et aérospatiale, il est essentiel de garantir la fiabilité et la durabilité des matériaux, mais les technologies utilisées jusqu'à présent sont soit trop vastes, soit indisponibles pour l'industrie", déclare le professeur Rüdiger Quay, chef de projet de QMag et directeur de l'Institut Fraunhofer pour la physique appliquée du solide IAF.
Dans le projet « Quantum Magnetometry », ou QMag en abrégé, les chercheurs de Fraunhofer ont étudié et développé des capteurs quantiques pour des applications industrielles spécifiques. Ils ont travaillé avec deux approches complémentaires :d'une part, ils ont utilisé des magnétomètres à pompage optique (OPM), caractérisés par leur sensibilité extrêmement élevée aux champs magnétiques, et d'autre part, ils ont utilisé des magnétomètres quantiques d'imagerie basés sur les lacunes d'azote (NV). centres en diamant avec une résolution spatiale extrêmement élevée.
Les deux technologies fonctionnent à température ambiante et conviennent aux applications industrielles. Les résultats de la recherche montrent que les magnétomètres quantiques détectent les changements dans le champ magnétique des échantillons même lorsque la fatigue du matériau n'est pas encore visible.
Les chercheurs ont utilisé des OPM pour mesurer les modifications du champ magnétique d’échantillons de matériaux ferromagnétiques lorsqu’ils étaient soumis à une fatigue cyclique. Ils ont ainsi démontré que les magnétomètres quantiques détectent les moindres défauts des matériaux bien plus tôt que les technologies conventionnelles. Il a également été possible de raccourcir le temps de mesure, ce qui est très important pour une utilisation dans des processus industriels tels que les tests de composants.
Dans les tests de matériaux, les magnétomètres OPM et NV peuvent être utilisés de manière complémentaire :alors que les OPM fournissent un signal dynamique de l'ensemble de l'échantillon, la magnétométrie NV peut être utilisée pour mesurer en détail les propriétés magnétiques de dommages individuels à l'échelle micro et nano.
"Dans les tests de matériaux, les magnétomètres quantiques peuvent aider à estimer la défaillance des composants ferromagnétiques avant que les matériaux ne présentent des fissures reconnaissables. Cela joue un rôle particulièrement important dans les composants critiques en matière de sécurité", explique le Dr Simon Philipp, chercheur à l'Institut Fraunhofer de mécanique des matériaux. Matériaux IWM.
Les chercheurs ont également réussi à développer un nouveau magnétomètre NV qui permet d'obtenir des résultats plus rapides dans les tests de matériaux et permet même d'autres applications :le magnétomètre à champ large mesure les champs magnétiques sur une vaste zone d'échantillon en très peu de temps et convient donc aux mesures rapides. dans les applications industrielles.
"Le magnétomètre à grand champ peut être utilisé pour la caractérisation et l'optimisation des matériaux ferromagnétiques, mais il est également très bien adapté aux applications en biomédecine et en technologie médicale. Les échantillons organiques peuvent être examinés de manière non destructive et par imagerie", explique Niklas Mathes, chercheur au Fraunhofer IAF.
Les chercheurs ont obtenu d'autres succès avec l'utilisation des OPM dans la mesure du débit :ils ont développé une toute nouvelle méthode de mesure de la vitesse d'écoulement des liquides dans une conduite basée sur les OPM. La mesure du débit magnétométrique est une méthode sans contact qui peut être appliquée à une large gamme de fluides et convient au contrôle des processus. Cette méthode représente une avancée significative, car les méthodes précédentes de mesure du débit sont généralement invasives.
L'équipe du projet a également étudié l'utilisation de magnétomètres quantiques dans la micro et la nanoélectronique ainsi que dans la production de puces et a identifié un énorme potentiel :dans le contrôle qualité, les magnétomètres quantiques peuvent être utilisés pour mesurer des circuits électriques et détecter immédiatement les transistors défectueux, par exemple.
Afin de rendre les résultats de la recherche accessibles à l'industrie et de tester les technologies développées pour des applications spécifiques, deux installations d'essai ont été créées dans le cadre du projet. Une salle à blindage magnétique a été installée à l'Institut Fraunhofer pour les techniques de mesure physique IPM, qui peut être utilisée pour des mesures d'essai.
"L'environnement magnétique de l'installation de test présente un champ résiduel inférieur à 5 nanotesla et offre une suppression du bruit très élevée. Cela nous permet de mesurer même les plus petits champs magnétiques générés par les ondes cérébrales. Nous mettons cet environnement à la disposition de l'industrie pour les services de mesure, " explique le Dr Peter Koss, chercheur au Fraunhofer IPM.
Afin de faciliter le transfert des magnétomètres quantiques vers l'industrie, une autre installation d'essai a été créée au Fraunhofer IAF, qui contient plusieurs magnétomètres NV. Il permet aux entreprises intéressées, notamment aux PME et aux start-ups, d'évaluer les avantages et le potentiel des magnétomètres quantiques pour leurs besoins spécifiques.
Fourni par l'Institut Fraunhofer pour la physique appliquée du solide IAF
