DiaQuantFab

Die Eigenschaften von Quantensystemen lassen sich dazu nutzen, Größen wie Druck, Temperatur, Position, Zeit, Geschwindigkeit und Bewegung bzw. Beschleunigung, Lage, Gravitation oder elektrische und magnetische Felder mit bislang unerreichter Genauigkeit nachzuweisen.

Quantensensoren werden in solchen Bauteilen und Ausführungen realisiert, die jeweils spezifische Stärken in Bezug auf die Messaufgabe aufweisen. Quantendefekte in Isolatoren und Halbleitern, wie beispielsweise Farbzentren in Diamant, erlauben vielfältige Anwendungen in der Quantensensorik. Sie erhalten auch unter Umgebungsbedingungen die empfindlichen Quantenzustände über vergleichweise lange Zeiträume aufrecht. Bisher gelingt es nur in universitärem Maßstab mit solchen Quantensystemen zu arbeiten.

Um die vielfach erprobten Ansätze auf eine industrierelevante Stufe zu heben, gilt es neue mikrosystemtechnische Schritte zu erarbeiten bzw. bekannte Halbleitertechnologien anzuwenden. Diese erfordern einen interdisziplinären Ansatz, da optische, elektronische und materialwissenschaftliche Komponenten und Kompetenzen zusammengeführt werden müssen. Damit geht die Notwendigkeit einher, die industrielle Herstellung entsprechender Quantenmaterialien in Deutschland weiter zu etablieren. Das Fehlen dieser Basis in Deutschland ist ein Grund dafür, dass eine industrielle Umsetzung für einen großen Teil des technisch bereits Demonstrierten noch nicht oder nur in ersten Ansätzen geglückt ist.

Im Verbundvorhaben DiaQuantFab wird entlang der Prozesskette von der Synthese der Diamanten bis zur industrierelevanten Applikation an einem einheitlichen Verständnis von Messgrößen gearbeitet, aus denen fehlende Qualitätsstandards ableitbar sind. So kann ein wichtiger Schritt für die Umsetzung der Quantentechnologien gelingen.

Auf Basis von NV-Farbzentren in synthetischem Diamant werden ein industriell einsetzbarer hochsensitiver Magnetfeldsensor und ein kalibrationsfreies Amperemeter entwickelt. Möglich wird dies durch die Quanteneigenschaften dieser NV-Zentren in Diamant, deren Messgrößen sich auf fundamentale Größen (g-Faktor, Bohrsches Magnetron) zurückführen lassen.

Für die Baugruppen sollen potenziell kostengünstige Herstellverfahren für die Komponenten erarbeitet werden. Diese sollen weitgehend den Anforderungen industrialisierter Prozesse genügen können. Wichtig ist für sämtliche Herstellungsschritte ausgehend von der Diamantsynthese über die Diamantbearbeitung und den Aufbau der optischen Komponenten bis hin zur Systemmontage immer die Skalierbarkeit der Technologien hin zu einem Massenprodukt.

Um dies nach einer Umsetzung kostengünstig anbieten zu können, suchen die Partner entlang der gesamten Prozesskette nach kosteneffizienten Technologien, vornehmlich auch in der Diamantsynthese und -bearbeitung. Die zu entwickelnden Demonstratoren stehen dabei als Beispiel für eine Reihe von Sensorbauteilen, Messgeräten und Quantenstandards und sollen eine breite Nutzung quantenoptischer Technologien ermöglichen.