Metrologie für ultra-niedrige Magnetfelder

• Antragsteller: Dr. Rainer Körber, Ph.D.; Professor Dr. Lutz Trahms
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 324668647

Die PTB hat langjährige Erfahrung in der Messung ultra-niedriger Magnetfelder und betreibt mehrere magnetisch geschirmte Kabinen, insbesondere seit 2004 den begehbaren Abschirmraum BMSR-2 mit weltweit einzigartigen Schirmeigenschaften. Die Magnetfeldsensoren, die in diesen Räumen verwendet werden, sind selbstentwickelte SQUID Magnetometer mit einer Sensitivität im sub-Femtoteslabereich. Die Expertise der PTB-Mitarbeiter umfasst sowohl magnetische Metrologie als auch die Herstellung von unmagnetischen Aufbauten und die Charaktersierung unmagnetischer Materialien - eine Grundvoraussetzung für erfolgreiches praktisches Arbeiten bei extrem niedrigen Magnetfeldern.Die Messmethoden für ultra-niedrige Magnetfelder haben sich in der Biosignalerfassung bewährt und werden insbesondere zur Untersuchung der Gehirnaktivität mittels Magnetoenzephalografie (MEG) eingesetzt. Über diese traditionelle Anwendung hinaus wird Metrologie für ultra-niedrige Magnetfelder zunehmend in anderen, recht unterschiedlichen Bereichen immer wichtiger: Hier ist zunächst die Charakterisierung, Quantifizierung und Visualisierung von magnetischen Nanopartikeln (MNP) zu nennen. Mit hochempfindlicher magnetischer Messtechnik werden Informationen gewonnen, die für den Einsatz von MNP als Diagnosewerkzeug in der Magnetresonanztomografie, der Bildgebung magnetischer Nanopartikel oder für die fokussierte Tumortherapie unverzichtbar sind.Eine neuere Anwendung ist die Kernspinresonanz in ultra-niedrigen Feldern, bei denen Präzessionsfrequenzen von wenigen Hertz zu beobachten sind. Dies ermöglicht das Studium langsamer Molekulardynamik, ein Bereich der bislang experimentell nur schwer zugänglich war. Eine der spannendsten Anwendungen eröffnet sich bei der Kernspinpräzession von hyperpolarisierten Edelgasen im ultra-niedrigen Feld. Mit Kohärenzzeiten von mehr als 100 Stunden kann die hochgenaue Messung der Spinpräzession in der Grundlagenphysik zur Überprüfung fundamentaler Symmetrien genutzt werden.Bisher wurden all diese Anwendungen an der PTB in Kooperation mit externen Partnern realisiert. Die zunehmende Zahl von externen Anfragen zur Nutzung unserer Einrichtungen hat jedoch inzwischen ein Ausmaß erreicht, das wir im Rahmen unserer metrologischen Aufgaben nicht mehr bewältigen können. Insbesondere ist jetzt die Etablierung eines Nutzungs- und Managementkonzepts erforderlich, das den Zugang zum Gerätezentrum, die technische und wissenschaftliche Unterstützung externer Wissenschaftler und die Wissensweitergabe regelt. Die Weiterentwicklung der magnetischen Messmethoden und der Infrastruktur sind dabei ein wesentlicher Bestandteil dieses Antrags.

• DFG-Verfahren: Gerätezentren