Quantum Interface Controller für Elektronenspinresonanz

• Antragsteller: Professor Dr. Frank Simon
• Fachliche Zuordnung: Hardwaresysteme und -architekturen für die Informationstechnik und die Künstliche Intelligenz, Quantentechnische Systeme ; Analytische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 568944624

Elektronenspinresonanz (ESR) ist die bevorzugte Methode zur Untersuchung von Systemen mit ungepaarten Elektronen. ESR kommt in der Koordinationschemie, zur Untersuchung von Metalloproteinen und von magnetischen Ionen in Festkörpern, sowie einer Vielzahl weiterer Bereiche zum Einsatz. Herkömmliche ESR-Systeme sind jedoch teuer, unflexibel und auf spezialisierte Hardware zur Signalerzeugung und zur Signalverarbeitung angewiesen. Dieses Projekt wird eine moderne ESR-Technologie entwickeln, bei der kostenintensive Spezialgeräte in eine programmierbare Hardware-Lösung übertragen werden. Diese basiert auf Field-Programmable Gate Arrays (FPGA) mit dedizierten Hochfrequenzmodulen (RFSoC). Zunächst wird eine flexible und rekonfigurierbare Plattform entwickelt, die bei einer Zwischenfrequenz arbeitet. Hierfür wird ein analoges Frontend entwickelt, dass die Verbindung zum ESR-Spektrometer herstellt. Durch die Nutzung eines FPGA-basierten Systems zur Erzeugung und Digitalisierung der Zwischenfrequenz wird die Implementierung von leistungsstarker Signalverarbeitung möglich, die präzisere Messungen ermöglicht und eine erhöhte Flexibilität bietet. In der zweiten Projektphase wird die FPGA-ESR-Plattform weiterentwickelt, um direkt bei der Mikrowellenträgerfrequenz zu arbeiten. Dadurch werden komplexe und teure Komponenten wie Mischer und Oszillatoren überflüssig. Die RFSoC-Integration ermöglicht eine Echtzeit-Datenerfassung und -verarbeitung mit hoher Geschwindigkeit, wodurch der Bedarf an zusätzlichen Komponenten reduziert, und die Leistung des Gesamtsystems verbessert wird. Der Wechsel von spezialisierten Messsystemen hin zu softwaredefinierten Lösungen auf einer programmierbaren Hardware-Plattform wird die Einstiegskosten drastisch senken und ESR-Systeme anpassungsfähiger, skalierbarer und zukunftssicherer machen. Dieser Ansatz wird auch die Signaltreue im Vergleich zu kommerziell verfügbaren Lösungen verbessern und damit eine bessere Empfindlichkeit und höhere Präzision für ESR-Messungen bieten. Die Plattform wird es Forschern ermöglichen, Experimente dynamisch über eine offen zugängliche Anwendungsschnittstelle zu steuern und neu zu konfigurieren, wodurch fortschrittliche ESR-Techniken zugänglicher werden. Dieses Projekt wird ein hochmodernes ESR-System liefern, das leistungsfähig und gleichzeitig kostengünstig, flexibel und damit nachhaltig für ein breites Forschungsspektrum ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Dr. Sylvain Bertaina