Untersuchung von Charakterisierungsmethoden und Präzisionsmessungen von magnetisch höchstgeschirmten Messumgebungen

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Fierlinger
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder ; Messsysteme
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 410292433

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Forschung mit extrem kleinen Magnetfeldern ermöglicht in den letzten Jahren extrem genaue Messungen etwa der Spin-Präzession von polarisierten Edelgasen, Neutronen oder den Betrieb von Quantensensoren zur Suche nach neuer Physik jenseits der bekannten Naturgesetze, und ermöglicht die Messung etwa biomagnetischer Signale auf bisher unerreichbarem Level. Mit dem Fortschreiten der Sensitivität der Messungen und dem Erreichen des Femto-Tesla Niveaus in der praktisch verfügbaren Messtechnik ergeben sich neue technische Hürden, die überwunden werden müssen. Dieses Projekt stellt einen Meilenstein in der Entwicklung von Niedrigstfeld-Magnetfeldmessungen da, da hier sowohl die bestgeschirmte Magnetfeldmessumgebung der Welt realisiert wurde, mit dem kleinsten Restfeld und dem stabilsten und niedrigsten Hintergrund, als auch die - soweit uns bekannt - am besten räumlich und zeitlich auflösende Messmethodik und Messtechnik implementiert als auch getestet werden konnte. Die Arbeitspakete des Projekts waren zwischen dem Harbin Institute of Technology und der TUM aufgeteilt, wobei die Reisebeschränkungen während Covid nach China Einschränkungen darstellten, die dem Erfolg des Projekts letztlich aber nicht geschadet haben, und eine gute Kooperation mit den chinesischen Partnern trotzdem möglich war. Neben der Begleitung des Aufbaus und der Charakterisierung der nun weltweit bestgeschirmten Messumgebung am HIT konnten drei Themenbereiche behandelt werden: (i) die quantitative Messung von Nullfeldern im Vergleich zur Modellierung am Computer. Hier konnten numerische Entmagnetisierung modelliert werden und Restfelder und die Homogenität von angelegten Feldern vermessen werden, sowie Sensoren soweit kalibriert werden, dass eine präzise räumliche Vermessung letztlich auch experimentell möglich war; (ii) die Untersuchung der Stabilität von kleinen Magnetfeldern und die damit verbundene Problematik der Trennung von Mess-Artefakten und den zu messenden Feldern. Hier wurden mittels eines Arrays an optisch gepumpten Magnetometern, SQUID-sensoren und einer stabilen Stromquelle eine Feedback-Stabilisierung erzeugt, durch die es möglich wurde, kleinste Drifts des Restfelds getrennt von den Sensoren zu untersuchen. Es wurde außerdem die statistische Methode der Independent Component Analysis angewandt, um Rauschquellen im Restfeld zu separieren und so Rauschen weiter zu reduzieren; (iii) die Entwicklung von langzeit-stabilen Magnetfeldsensoren, notwendig für die Charakterisierung von höchststabilen Magnetfeldern. Neben der Charakterisierung von an der TUM gebauten extrem driftstabilen optischen Sensoren wurde im geschirmten Raum am HIT Messungen mit kommerziellen Sensoren durchgeführt, deren Stabilität an der TUM im Vorfeld charakterisiert wurde. Die Ergebnisse der Arbeiten waren sehr reichhaltig, und einige der Ergebnisse wurden bereits publiziert, weitere Publikationen sind noch in Vorbereitung.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Limits of Low Magnetic Field Environments in Magnetic Shields. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 68(6), 5385-5395.
  Sun, Zhiyin; Fierlinger, Peter; Han, Jiecai; Li, Liyi; Liu, Tianhao; Schnabel, Allard; Stuiber, Stefan & Voigt, Jens
  
• A highly drift-stable atomic magnetometer for fundamental physics experiments. Applied Physics Letters, 120(16).
  Rosner, M.; Beck, D.; Fierlinger, P.; Filter, H.; Klau, C.; Kuchler, F.; Rößner, P.; Sturm, M.; Wurm, D. & Sun, Z.
  
• A lightweight magnetically shielded room with active shielding. Scientific Reports, 12(1).
  Holmes, Niall; Rea, Molly; Chalmers, James; Leggett, James; Edwards, Lucy J.; Nell, Paul; Pink, Stephen; Patel, Prashant; Wood, Jack; Murby, Nick; Woolger, David; Dawson, Eliot; Mariani, Christopher; Tierney, Tim M.; Mellor, Stephanie; O’Neill, George C.; Boto, Elena; Hill, Ryan M.; Shah, Vishal ... & Bowtell, Richard
  
• A Small Scale Optically Pumped Fetal Magnetocardiography System. Journal of Clinical Medicine, 12(10), 3380.
  Wurm, David; Ewert, Peter; Fierlinger, Peter; Wakai, Ronald; Wallner, Verena; Wunderl, Lena & Wacker-Gußmann, Annette