Сучасні системи навігації, попри високу точність і покриття, часто зазнають перешкод і не всюди доступні. Тому зростає інтерес до методів, що працюють незалежно від супутників. Земне магнітне поле — перспективна основа: його регіональні відмінності можна використовувати як “невидиму мапу” для автономної навігації, особливо там, де сигнали GNSS утруднені або подавляються — під водою, у каньйонах, під землею, у будівлях чи тунелях.
Розроблений у Fraunhofer IAF квантовий сенсор дозволяє створювати детальні магнітні карти та забезпечувати надійну навігацію на їхній основі. Векторний магнітометр пропонує автономний, нечутливий до завад підхід до глобального позиціювання й навігації, доповнюючи супутникові системи та працюючи навіть без їхніх сигналів.
Свій компактний інтегрований квантовий магнітометр інститут уперше показав у Мюнхені на World of Quantum, пише GPS World. Алмазна платформа вирізняється міцністю, високою щільністю інтеграції та чутливістю вимірювань, відкриваючи нові можливості як для навігації, так і для інших застосувань.
Йдеться про високоінтегрований векторний магнітометр на основі вільного азоту (NV) в алмазі. Він “бачить” надзвичайно слабкі магнітні поля з гнучкістю та точністю, яких раніше досягти не вдавалося. Мікромініатюрна вимірювальна система придатна там, де потрібні максимально точні вимірювання з мінімальними перешкодами — від біохімічного моніторингу нервових шляхів до мікроелектроніки.
За словами Міхаеля Штёбе, керівника напряму Quantum Devices у Fraunhofer IAF, унікальність векторного NV‑магнітометра в його “природній” функціональності: він здатен точно вимірювати векторні компоненти магнітного поля Землі в більшості режимів роботи. Це не просто технічна новинка, а відчутний крок уперед у сенсорних технологіях.
Ключ — у властивостях NV-центрів в алмазній решітці, орієнтованій уздовж чотирьох кристалографічних осей: використання алмазу з орієнтацією <100> дозволяє задіяти один сенсорний чип для одночасного визначення всіх компонент вектора магнітного поля. Внаслідок цього зменшується обсяг калібрування та знімаються обмеження, характерні для традиційних магнітометрів. За оцінкою Fraunhofer, це суттєвий крок до точніших і ефективніших методик вимірювання.
За останній рік команда Fraunhofer IAF скоротила габарити інтегрованого квантового магнітометра у 30 разів. Розмір сенсорної головки вже співставний із промисловими оптично накачуваними газокамерними магнітометрами (OPM), а чутливість сягає піко-теслового діапазону. Алмазна система вигідно відрізняється від конкуруючих рішень поєднанням високої надійності та широкого робочого діапазону, що дає змогу гнучко застосовувати її у різних сценаріях із мінімальними вимогами до калібрування.
“Ми прагнемо ще вищої щільності інтеграції та водночас зростання чутливості. Наша мета на наступний рік — зменшити сенсор ще в 5 разів і перейти до субпіко-теслових вимірювань”, — підкреслює д-р Міхаель Штёбе.
Окремою перевагою нових інтегрованих квантових магнітометрів Fraunhofer IAF є опціональне водяне охолодження, яке забезпечує стабільні та надійні вимірювання навіть у складних умовах експлуатації. Гнучкість конструкції та варіанти інтеграції — одна з причин, чому найсвіжіші прототипи фрайбурзького інституту виділяються на тлі аналогів. “Ми розвиваємо системи з огляду на практичні завдання і реагуємо на індивідуальні вимоги користувачів”, — зазначає керівник проєкту Міхаель Кунцер.
Паралельно з розвитком системної частини вдосконалюється й головний елемент — алмазна сенсорна головка з NV-центрами. Синтетичний алмаз інститут вирощує у спеціальних реакторах і перетворює на квантові пристрої шляхом контрольованої заміни атомів вуглецю на атоми азоту. Наступного року планують перейти від нинішніх двохдюймових підкладок ультрачистого алмазу до промислово масштабованих пластин діаметром чотири дюйми.
Окрім навігації, такий квантовий магнітометр придатний для швидких і безконтактних геологічних вимірювань. Він дає змогу точно локалізувати підземні родовища корисних копалин і виявляти великі площі, на яких можуть бути нерозірвані боєприпаси, знижуючи ризики для людей. Використовуючи той самий принцип, що й у навігації, за аномаліями магнітного поля та складом земної кори можна робити висновки про геологічні структури, включно з рудними покладами та металевими об’єктами.
Зібрані дані перетворюються на магнітні карти, які позначають місця потенційно небезпечних об’єктів і надають відомості про їхню глибину, форму та розміри. Такий підхід забезпечує всебічне, неінвазивне обстеження територій і виявлення навіть глибоко залягаючих цілей.