新型钻石磁力仪为无GPS导航铺平道路

弗劳恩霍夫IAF的紧凑型集成量子磁力仪基于金刚石中的氮空位（NV），可在生物医学、材料测试、导航和地质学等领域提供新的应用。图片来源：弗劳恩霍夫IAF

“基于金刚石的NV矢量磁力仪的独特之处在于其原生且直观的功能，使其能够在大多数工作条件下精确测量地球磁场的矢量分量。这使得该传感器不仅是一项技术创新，更是传感器技术的重大进步，”弗劳恩霍夫IAF量子设备业务部经理Michael Stoebe博士解释道。

金刚石晶格中 NV 中心沿四个晶轴排列的独特性质，使得使用由 <100> 金刚石制成的单个传感器芯片检测磁场的所有矢量分量成为可能。

这显著减少了复杂校准的需求，并扩展了潜在应用范围，超越了传统磁力仪的限制。该传感器正在变革多个领域的研究，标志着更精确、更高效的测量技术发展的重要进步。

弗劳恩霍夫IAF研究所的研究人员在短短一年内成功将其集成量子磁力仪的尺寸缩小了30倍。如今，传感器头更加紧凑，尺寸与工业界常用的传统光泵浦气室磁力仪（OPM）相当，同时保持了皮特斯拉级的高灵敏度。这款基于金刚石的系统凭借其坚固耐用性和宽广的测量范围，相较于竞争技术具有显著优势，使其能够高度适应各种测量场景，且只需极少的校准。

“我们正在努力实现更高的集成密度，同时提高灵敏度。我们明年的目标是将传感器尺寸再次缩小5倍，同时进一步提高灵敏度，以实现亚皮特斯拉范围内的测量。” Michael Stoebe 博士强调道。

弗劳恩霍夫IAF研究所开发的集成量子磁强计的一个关键特性是其可选的水冷功能，即使在严苛的操作条件下也能实现稳定可靠的磁场测量。这种设计和集成的灵活性，使这家位于弗莱堡的研究所的最新传感器原型脱颖而出。

“我们采用面向应用的方法来持续开发我们的传感器系统，并满足对我们系统提出的个性化要求，”弗劳恩霍夫 IAF 项目经理 Michael Kunzer 博士说。

除了系统改进外，弗劳恩霍夫IAF还在增强传感器的核心部件——氮空位(NV)掺杂的金刚石传感头。这种合成金刚石在该研究所的专用反应堆中生长，并通过精确地用氮原子取代碳原子，转化为量子器件。目前，该研究所计划明年将目前的两英寸超纯金刚石晶片扩展到四英寸晶片，以实现工业规模生产。

尽管当今的导航系统精度高、覆盖范围广，但往往容易受到干扰，并且并非在所有地方都可用。因此，独立于全球导航卫星系统 (GNSS) 运行的替代导航方法正日益重要。

地球磁场是一个有希望的基础，因为它表现出区域差异，可以用作自主导航的隐形地图，特别是在 GPS 信号中断或难以接收的地区。

弗劳恩霍夫 IAF 开发的量子传感器能够创建全面的磁场地图，并在此基础上提供可靠的导航。矢量磁力仪提供了一种自主、无干扰的全球定位和导航方法。它可以补充卫星导航，并且无需卫星信号即可工作，例如在水下、峡谷、地下、建筑物内或隧道内。

弗劳恩霍夫应用物理研究所 (IAF) 开发的量子磁力仪能够精确、非接触式地定位地下矿藏，从而获取宝贵的资源。它还能探测大面积未爆炸弹药，显著降低受影响地区居民的风险。

利用与导航相同的原理，可以通过地壳的成分及其磁场推断地质构造，从而探测到诸如矿床之类的磁异常或诸如未爆炸弹药之类的金属物体。

收集到的数据可以转换成磁力图，显示可疑物体的位置，并提供有关其深度、形状和大小的信息。这种方法可以对受影响区域进行全面、非侵入性的探测，甚至可以定位深藏的物体。

编译自/ScitechDaily