Fraunhofer IAF Diamantsonden identifizieren winzige Magnetfelder

Diamantsonden werden künftig zur Qualitätskontrolle von magnetischen Speichermedien eingesetzt, umProduktionskosten und Ausschussraten zu reduzieren.
Diamantsonden werden künftig zur Qualitätskontrolle von magnetischen Speichermedien eingesetzt, um Produktionskosten und Ausschussraten zu reduzieren.

Weltweit steigt das Datenvolumen, weshalb Speichermedien immer dichter beschrieben werden. Gleichzeitig erhöht sich jedoch bei der Produktion die Fehlerquote. Um den Ausschuss zu reduzieren, entwickelt das Fraunhofer IAF Sensoren, die winzige Magnetfelder identifizieren - mit Hilfe von Diamanten.

Seit Jahren boomt der Markt für Speichermedien, denn aufgrund der fortschreitenden Digitalisierung steigt weltweit das generierte Datenvolumen rasant an. Mit steigendem Datenvolumen steigt auch der Bedarf an kompakten magnetischen Speichermedien. Also produziert die Industrie immer dichter beschriebene Festplatten. Dadurch steigt allerdings auch die Fehlerquote exponentiell: Doppelte Datendichte verzehnfacht die Fehlerrate in der Produktion. Der Ausschuss steigt, obwohl oft nur einzelne Sektoren der Festplatte fehlerhaft sind. Forscher des Fraunhofer Instituts für Angewandte Festkörperphysik (IAF), der Universität Stuttgart und des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung entwickeln eine Methode, mit der fehlerhafte Segmente geortet und vom Schreib – und Lesevorgang ausgeschlossen werden. Mit Quantensensoren überprüfen sie die einzelnen Datensegmente auf Festplatten. Anhand der Diamantsensoren erkennen sie, ob ein Magnetfeld anliegt oder nicht. Millionen von Festplatten oder Schreibköpfen können so geprüft, Ausschussraten reduziert und dadurch Kosten gesenkt werden.

Für Industrie und Wirtschaft sind die Entwicklungen vielsprechend. Die hochempfindlichen Diamantsonden können kleinste magnetische Felder mit nanometergenauer Ortsauflösung charakterisieren. Außerdem könnten biologische Substanzen wie Proteine charakterisiert werden. Das Forschungsprogramm wurde 2016 mit dem Namen »NMR (Nuclear Magnetic Resonance oder Kernspinresonanz) at the Nanoscale« gestartet und hat eine Laufzeit von drei Jahren.

Unmittelbares Ziel der Kooperation ist die Herstellung von Magnetfeld-Sonden aus Diamantspitzen. Über ein sogenanntes Stickstoff-Vakanz-Zentrum (NV) werden die Magnetfelder erkannt, die sich etwa zehn Nanometer unter der Oberfläche der Diamantspitze befindet. Die Spitzen sind vergleichbar mit den Sonden eines Rasterkraftmikroskops und können mit hoher Präzision über magnetische Elemente anorganischer oder biologischer Art bewegt werden. Sie können als Mess- und Kalibriersonden eingesetzt werden, um die Qualität magnetischer Speicherplatten und Leseköpfe zu kontrollieren, deren Dimensionen immer kleiner werden.

Zudem ist geplant, die Magnetfeld-empfindlichen NV-Zentren in Diamant-Plättchen anzuordnen, um die Verteilung von magnetischen Momenten zu visualisieren. Das Verfahren ähnelt der klassischen optischen Mikroskopie, wobei das Bild die Verteilung von lokalen Magnetfeldern zeigen soll.

Die Identifikation kleinster Magnetfelder mit Diamantsensoren funktioniert folgendermaßen: In der winzigen Diamantspitze werden zwei benachbarte Kohlenstoffatome entfernt. Eine der entstandenen unbesetzten Stellen wird durch ein Stickstoffatom ersetzt. Über die Elektronen des entstehenden Stickstoff-Vakanz-Zentrums können mit der Kernspinresonanz-Spektroskopie (NMR) selbst kleinste magnetische Felder mit einer Auflösung von wenigen Nanometern entdeckt werden. Fehlerhafte Datensegmente sind nicht magnetisch und können somit auf dem Speicherträger identifiziert und vom Schreib- und Lesevorgang ausgeschlossen werden. Die Festplatte kann defektfrei verkauft werden.

Künftig könnten die Diamantsensoren in vielen unterschiedlichen Anwendungen zum Einsatz kommen, zum Beispiel in der Biomedizin für den Nachweis von Krankheiten und Giftstoffen oder in der Materialwissenschaft für die Zuverlässigkeits- und Sicherheitsprüfung.