EMV-Messtechnik ETH Zürich entwickelt 3D-Ionen-Sonde für elektromagnetische Störfelder

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Forscher der ETH Zürich haben ein neues Messverfahren entwickelt, das elektromagnetische Felder über Chipoberflächen mit bisher unerreichter Präzision kartiert. Mithilfe eines einzelnen, in einer Penning-Falle gefangenen Ions lassen sich Störfelder in drei Dimensionen erfassen.

In der Mikro- und Nanoelektronik, insbesondere bei miniaturisierten Ionenfallen-Chips für Quanten-Anwendungen, stellen elektromagnetische Störfelder eine erhebliche Fehlerquelle dar. Da die Ionen in diesen Chips oft nur eine Haaresbreite von der Oberfläche entfernt manipuliert werden, beeinträchtigen emittierte Felder des Chips die empfindlichen Quantenzustände. Ein Team um Jonathan Home, Professor am Institut für Quantenelektronik der ETH Zürich, hat nun eine Technik im Fachjournal Science Advances vorgestellt, die diese Felder mit extremer Genauigkeit dreidimensional visualisiert.

Penning-Falle ermöglicht freie Positionierung in 3D

Der technologische Durchbruch basiert auf dem Einsatz einer sogenannten Penning-Falle anstelle herkömmlicher Radiofrequenz-Fallen. Während konventionelle Fallen oszillierende Felder zur Speicherung der Ionen nutzen, arbeitet die Penning-Falle mit einer Kombination aus statischen elektrischen und magnetischen Feldern.

„Das hat gleich zwei bedeutende Vorteile“, erklärt Shreyans Jain, Doktorand in Homes Arbeitsgruppe. „Zum einen erlaubt es, die Ionen in drei Dimensionen zu positionieren, was mit den Radiofrequenz-Fallen nicht möglich ist. Zum anderen macht die Abwesenheit schwingender Felder in der Falle es einfacher, winzige oszillierende Felder auf dem Chip nachzuweisen.“

Durch die gezielte Veränderung der Spannungen an den Elektroden der Falle kann ein einzelnes Beryllium-Ion als Sonde fungieren. „Dabei können wir die Höhe über dem Chip von 50 Mikrometern bis zu 450 µm variieren und eine Oberfläche von 200 mal 200 µm abscannen“, sagt Doktorand Tobias Sägesser.

Genaue Feldmessung durch Ionen-Schwingungen

Ist das Ion am Zielort angekommen, folgt der Messvorgang: Die oszillierenden elektrischen Felder auf dem Chip rütteln fortwährend am Ion, sodass es anfängt, in der Falle hin- und herzuschwingen. Damit ändert sich sein quantenmechanischer Schwingungszustand, was die Forschenden nach einer Wartezeit mit Laserpulsen messen können. Aus dieser Änderung lässt sich die Stärke des elektrischen Feldes exakt berechnen.

„Damit haben wir einen neuen Rekord für die empfindlichste Messung eines oszillierenden elektrischen Feldes aufgestellt“, sagt Sägesser. Innerhalb einer Sekunde Messzeit konnte das Team ein Feld mit einer Amplitude von nur 10 nV pro Meter nachweisen. Zum Vergleich: Selbst in einer Entfernung von mehreren Kilometern ist das elektromagnetische Feld eines Mobiltelefons noch zehntausendmal stärker.

Nutzen für Materialcharakterisierung und Fertigung

„Seit über dreißig Jahren versucht man herauszufinden, woher die Störfelder in der Nähe eines Chips kommen“, erklärt Jonathan Home. Die neue Methode ermöglicht es nun, diese Felder räumlich aufgelöst zu messen und die Ergebnisse mit Modellrechnungen zu vergleichen, um zwischen verschiedenen Störquellen zu unterscheiden. Ein entscheidender technischer Vorteil: Die Penning-Falle kann vorübergehend komplett von allen äußeren Spannungsquellen abgekoppelt werden. Dadurch lassen sich störende Einflüsse von außerhalb konsequent ausschließen. „Bisher musste man zu diesen Einflüssen bestimmte Annahmen machen, ohne zu wissen, ob sie stimmten“, sagt Home.

Für die Zukunft sieht Home das Verfahren als wichtiges Werkzeug für die Materialcharakterisierung. Durch das Abscannen verschiedener Chip-Bereiche mit unterschiedlichen Oberflächenmaterialien lässt sich experimentell bestimmen, welches Material die geringsten Störfelder erzeugt. Dies bietet einen direkten Hebel, um Herstellungsverfahren für hocheffiziente Quanten-Chips zu optimieren. (heh)

Während die ETH-Forschung die Grenzen der Messtechnik verschiebt, adressiert der Workshop „EMV zum Anfassen“ am 29. September 2026 in Würzburg die unmittelbaren Herausforderungen der industriellen Hardware-Entwicklung. Unter der Leitung des EMV-Experten Thomas Eichstetter lernen Entwickler, wie sie Störfestigkeit und Emissionen direkt am Versuchstisch beherrschen. Der Workshop bietet praxisnahe Module zur Rettung gescheiterter DC/DC-Wandler-Designs und zur Lokalisierung von Schwachstellen mittels Schnüffelsonden.

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