Dank der Quantensensorik sind seit ca. 2021 Präzisionsmessungen in den Materialwissenschaften und der Grundlagenphysik möglich, die über den klassischen Stand der Technik hinausgehen. Die Quantensensorik bietet weitaus mehr Möglichkeiten, Licht zu gestalten und dessen quantenoptische Zustände für reale Messungen effektiv zu nutzen. Wir bei RECENDT entwickeln diese Techniken weiter und erarbeiten daraus industriell anwendbare Methoden der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP).
Quantensensorik
Einleitung
The concept of the use of entangled photons for non-linear interferometry
Das Konzept der "Bi-Photonen Interferometrie"
Induzierte Kohärenz (von korrelierten Photonenquellen) ohne induzierte Emission: Eine gemeinsame Quelle (λp) beleuchtet zwei nichtlineare Kristalle (Auslösung von SPDC-Prozessen) (SPDC: spontane parametrische Abwärtskonvertierung), wodurch korrelierte / verschränkte Photonenpaare (λs und λi) entstehen. Die Information, welches Photon von welcher Quelle stammt, wird im zweiten Kristall gelöscht (SPDC2). Infolgedessen kann für die Photonen der ersten und der zweiten SPDC-Quelle aufgrund der Ununterscheidbarkeit der Photonenpfade (der Mess- und der Signalpfad müssen identisch lang sein) eine Interferenz beobachtet werden. Das Interferometer kann daher zur Messung mit undetektierten Photonen verwendet werden, da das Interferenzmuster (ähnlich wie bei der herkömmlichen Interferenz) mit Photonen nachgewiesen werden kann, die nie mit der Probe T in Wechselwirkung getreten sind.
Dies ermöglicht die Realisierung einer "Metrologie mit undetektierten Photonen". Da die Wellenlängen der Mess- und der Signalphotonen (im Falle von nicht degenerierter SPDC) spektral weit voneinander getrennt sein können, können z. B. Messungen im mittleren Infrarotbereich mit hochempfindlichen und kostengünstigen Nahinfrarot-Detektoren durchgeführt werden, was diese Methoden für verschiedene Anwendungsszenarien in Forschung und Industrie sehr interessant macht.
Unsere Vision
Die Vision von RECENDT ist es, mit Quantentechnologie hochmoderne NDT-Verfahren zu entwickeln, deren Sensitivität und Vorteile für industrielle Anwendungen gegenüber bisherigen Verfahren überragend sind.
Der Fokus liegt gegenwärtig auf der Entwicklung von Methoden auf Basis von nichtlinearen Interferometern.
- Prinzip:
⇒ nicht entartete verschränkte Photonenpaare werden mittels Spontaner Parametrischer Downconversion (SPDC) erzeugt
⇒ diese verschränkten Photonenpaare werden genutzt für "Bildgebung mit undetektierten Photonen"
⇒ dank der Photonenverschränkung (z.B. Nah- und Mittelinfrarot-Zwillinge) kann das Mid-IR Photon dazu verwendet werden, die Probe zu prüfen, während das andere Photon der Detektion dient
- Vorteile:
⇒ erheblicher technologischer Vorteil, da Messung und Detektion voneinander entkoppelt sind
⇒ anstelle von schwierigen und teuren Messungen im Bereich des Mittleren Infarot nunmehr Messungen im Nahinfrarot-Bereich möglich
⇒ Einsatz von technisch ausgereiften, viel günstigeren Siliziumdetektoren
⇒ Wegfall von Einschränkungen und Schwierigkeiten, die bei konventionellen Systemen bestehen
⇒ einzigartige Möglichkeiten für hochempfindliche, hochauflösende Messungen in typischerweise schwierigen Szenarien
⇒ kosteneffiziente Komponenten
Da das Grundprinzip der nichtlinearen Interferometrie der klassischen Interferometrie ähnelt, d. h. auf Kreuzkorrelation beruht, kann diese Methode der Quantensensorik nahtlos beispielsweise in OCT, Mikroskopie und in der Fourier-Transformations-Spektroskopie im mittleren IR-Bereich eingesetzt werden, da die Grundprinzipien dieselben sind.
Quantum Optical Coherence Tomography (Q-OCT)
Ausblick, Prognose und Ziele
Verfahren der optische Quantensensorik haben unbestritten das Potenzial, die Art und Weise, wie komplexe und schwierige Messungen durchgeführt werden, zu revolutionieren und Fortschritte in der Industrie und in der Forschung (z.B. in Biomedizin, Grundlagen- und angewandter Physik und Chemie) herbeizuführen.
Bislang konzentrierte sich die Forschung in diesem Bereich auf die Verbesserung nichtlinearer Kristalle und der SPDC-Quellen, die Untersuchung und Optimierung von Phasenverschiebungsschemata und die Erweiterung des Spektralbereichs.
Wir arbeiten daran, dass diese neuen Sensorikmethoden ihren Platz in zahlreichen ZfP-Lösungen finden. Wir entwickeln sie in der Praxis weiter, optimieren sie, wenden sie an und bewerten den Nutzen. Eine enge Zusammenarbeit mit anderen RECENDT-Forschungsgruppen und ein solider anwendungsbezogener Hintergrund sind dabei von besonderem Vorteil.
LT1-Beitrag zu Quantensensorik bei RECENDT
ORF-Ö1 Radiobeitrag zu Quantensensorik bei RECENDT
Quantensensorik in Linz
Am 23. April 2024 geben RECENDT und die JKU gemeinsam einen Überblick über die aktuellen Quantensensorik-Forschungsaktivitäten in Linz.
Anwendungen
Innenstruktur stark streuender Materialien
Sie möchten innere Strukturen z. B. in Industriekeramik, gefüllten Polymeren oder Lacken und Verbundwerkstoffen untersuchen? Oft wird diese Inspektionsaufgabe durch starke Streuungseffekte behindert. Durch den Einsatz der OCT (Optischen Kohärenztomographie) im mittleren Infrarotbereich oder unserer neuesten Quantum-Sensorik-Technologien können wir diese Probleme überwinden und eine größere Prüftiefe bei einer axialen Auflösung von immer noch 8 µm bieten.
Spektroskopische Bildgebung
Die spektroskopische Kontrolle von chemischen Zusammensetzungen, z.B. von Tabletten kann mit unterschiedlichen Technologien (NIR, MIR, Raman, THz oder Quantensensorik) erfolgen. Dabei ist auch die ortsaufgelöste Spektroskopie möglich - und Sie erhalten ein klares Bild über die API-(Active Pharmaceutical Ingredient)-Verteilung im Produkt!
Ortsaufgelöste Spektroskopie
Wollen Sie auf Mikrometer genau wissen, wie die örtliche Verteilung von chemischen Bestandteilen in Ihren Produkten aussieht? Mit Infrarot-Mikroskopie im mittleren Infrarot können wir Materialien und Schnittproben mit einer Ortsauflösung von bis zu 5 µm chemisch charakterisieren und z.B. Rückstände oder Einschlüsse vermessen. Auch die Quantensensorik eignet sich speziell für Fragestellungen wie diese.
