Precision Ultra-low Magnetic Field Measurement Device

• Fachliche Zuordnung: Teilchen, Kerne und Felder
• Förderung: Förderung in 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 492562173

Eine begehbare magnetisch höchstgeschirmte Messumgebung für Präzisionsexperimente in der fundamentalen Physik und für Anwendungen wird beantragt. Wesentliche Eigenschaften sind ein magnetisches Hintergrundfeld von < 0.1 nT und ein Gradient von < 0.1 nT/m im inneren Kubikmeter. Diese Eigenschaften sind essentiell, um experimentelles Neuland in verschiedenen Disziplinen zu erforschen. Kommerzielle Abschirmungen sind etwa auf 1 nT Restfeld und nT/m Gradienten limitiert, etwa vergleichbar mit dem Feld der weltgrößten Abschirmung an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt. Der Lehrstuhl für Präzisionsmessungen bei extremen Bedingungen an der TU München hat 13 Jahre Erfahrung im Design magnetisch extrem geschirmter Umgebungen, angetrieben durch die Suche nach dem Elektrischen Dipolmoment des Neutrons, einem Experiment in der fundamentalen Physik. Dafür konnte bereits in zwei Aufbauten ein Feld < 0.1 nT und ein Gradient < 0.1 nT/m nur mit passiven Schirmmaßnahmen und damit weniger als 1 fT Rauschen über einen Kubikmeter realisiert werden. Ausschlaggebend dafür sind (i) die Optimierung der magnetischen Domänen in den Wänden der Schirmung, einer magnetisierbaren Legierung und (ii) Möglichkeiten zur genauen und präzisen Charakterisierung der Schirmung. Die hier vorgeschlagene Schirmung besteht aus ineinander verschachtelten Schalen aus magnetisch hochpermeablem Material und einer elektrisch gut leitfähigen Schicht; Spulen zur Erzeugung von Magnetfeldern und zur Entmagnetisierung der Schirmung; einer pneumatischen Türe mit 1.15 x 2 m; einen nichtmagnetische 5-Achs-Roboter, Fluxgate- und Atommagnetometer zur Feld- und Gradientenmessung und zur reproduzierbaren Herstellung des Nullfelds im Inneren der Schirmung. Die neue Schirmung dient Messungen in verschiedenen Disziplinen und ermöglicht Technologie- und Wissenstransfer zwischen Forschung in der fundamentalen Physik und Anwendungen in angewandter Physik, Medizin und Neurowissenschaften. Es ist geplant, die Schirmung für vielseitige Nutzung zu planen: (i) für Präzisions-Spinuhren zur Untersuchung der Naturgesetze bei extremer Messgenauigkeit (Elektrische Dipolmomente und Axion-artige Teilchen) und die Weiterentwicklung neuer Ansätze in diesem Feld; (ii) Entwicklung neuer Quanten- und Nano/Mikrofabrizierten MEMS-Magnetometer; (iii) Technologieentwicklung für fötale Magnetkardiographie in Verbindung mit komplementären Diagnosemethoden wie etwa Ultraschallbildgebung und (iv) Untersuchung der magnetischen Signale des Gehirns (MEG) in Verbindung mit Bewegung des Körpers. Die geplanten Aktivitäten teilen die Anforderung an extrem kleine magnetische Felder und Gradienten und verwenden ähnliche Techniken. Mit speziell dafür eingeplantem Personal werden wir die Forschung bei kleinsten Magnetfeldern kontinuierlich Vorantreiben und den fachgerechten Betrieb der Schirmung und den Zugang für alle angedachten Vorhaben sicherstellen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Precision Ultra-low Magnetic Field Measurement Device
• Gerätegruppe: 0150 Geräte zur Messung der magnetischen Materialeigenschaften
• Antragstellende Institution: Technische Universität München (TUM)
• Leiter: Professor Dr. Peter Fierlinger