&kule; Fysikk 15, 158
Forskere har demonstrert en kvantesensor som kan drive seg selv ved hjelp av sollys og et omgivende magnetfelt, en prestasjon som kan bidra til å redusere energikostnadene til denne energikrevende teknologien.
Ikke lenger science fiction-området, kvantesensorer brukes i dag i applikasjoner som spenner fra tidtaking og gravitasjonsbølgedeteksjon til nanoskalamagnetometri [1]. Når de lager nye kvantesensorer, fokuserer de fleste forskere på å lage enheter som er så presise som mulig, noe som vanligvis krever bruk av avanserte – energikrevende – teknologier. Dette høye energiforbruket kan være problematisk for sensorer designet for bruk på avsidesliggende steder på jorden, i verdensrommet eller i Internet-of-Things-sensorer som ikke er koblet til strømnettet. For å redusere kvantesensorers avhengighet av eksterne energikilder, demonstrerer Yunbin Zhu fra University of Science and Technology i Kina og kolleger nå en kvantesensor som direkte utnytter fornybare energikilder for å få energien den trenger for å fungere [2]. Den nye enheten kan utvide bruken av kvantesensorer samt bidra til å redusere energikostnadene til kvantesensorer betydelig i eksisterende applikasjoner.
I dag finnes kvanteteknologier stort sett i forskningslaboratorier, som har praktisk talt ubegrenset tilgang til energi. En typisk enhet fungerer ved kryogene temperaturer og krever kraftige lasere, mikrobølgefrekvensforsterkere og bølgeformgeneratorer. En slik enhet kan forbruke tusenvis av watt og fungerer 24 timer i døgnet. En måte å redusere disse energikostnadene på er ved å lage sensorer fra systemer som ikke krever kryogen kjøling, for eksempel diamantdefekter kjent som nitrogen-vacancy (NV) sentre. Slike sensorer krever imidlertid fortsatt en kraftig laser, som lett kan forbruke 100–1000 W, og en mikrobølgeforsyning som trenger rundt 100 W. Forskere jobber også med å miniatyrisere sensorer, en prosess som typisk reduserer strømforbruket. Men nåværende versjoner av disse mindre sensorene får fortsatt strøm fra nettet [3].
Zhu og kollegene tar en annen tilnærming ved å utvikle en kvantesensor som genererer sin egen kraft fra en fornybar energikilde, i dette tilfellet solenergi (fig. 1). Teamets sensor er laget av et ensemble av NV-sentre i diamant, en veletablert solid-state kvantesensorplattform som kan operere over et bredt spekter av temperaturer (0–600 K), trykk (opptil 40 GPa) og magnetiske felt (0–12 T).
Nitrogen-ledige sentre er defekter som vanligvis skapes ved å implantere nitrogenioner i et diamantgitter. Sentrene begrenser ladningsbærere – som elektroner eller hull – og skaper en lokalisert elektronisk tilstand. Brukere kan lese ut spinn av denne tilstanden ved å eksitere defekten med en laser. NV-senteret sender deretter ut stråling, via fluorescens, hvis intensitet korrelerer med systemets spinn. Forskere bruker vanligvis en grønn laser for denne eksitasjonen, da den lysfargen produserer den sterkeste fluorescensen i systemet (den utsendte strålingen er rød).
For bruk i kvanteapplikasjoner er NV-sentre ideelle fordi de opererer ved romtemperatur, så det kreves ikke noe kjøleapparat. De krever imidlertid en laser for å begeistre NV-senteret. De krever også en magnetfeltgenerator og en mikrobølgefrekvensforsterker: NV-senterets fluorescensfrekvens kan deles i to ved å bruke et forspenningsmagnetfelt, og de to resulterende emisjonstoppene kan nås ved å sveipe mikrobølgeforsterkeren gjennom disse frekvensene. De nøyaktige posisjonene til disse toppene koder for informasjon om eventuelle endringer i det omgivende magnetiske feltet med hensyn til skjevheten samt endringer i enhetens temperatur eller belastning.
Zhu og kollegenes enhet gjør unna både laseren og forsterkeren. I stedet for å bruke laserlys for å begeistre NV-senteret, bruker forskerne sollys og filtrerer det med et optisk båndpassfilter slik at bare grønne bølgelengder faller inn på NV-senteret. De bruker også en såkalt flukskonsentrator laget av jern for å forsterke jordens magnetfelt til rundt 100–300 G. Ved disse magnetiske feltstyrkene tillater energistrukturen til NV-sentre for all-optisk deteksjon av endringer i det omgivende magnetfeltet bare ved å overvåke lysstyrken til enhetens fluorescens. Denne evnen lar teamet kjøre en sensor uten en separat magnetfeltgenerator eller en separat ekstern mikrobølgefrekvensforsterker.
Teamets enhet krever bare 0,1 W for å fungere – den kraften er nødvendig for å kjøre en fotodetektor med lavt energiforbruk for spinnavlesningen. Forskerne viser at de kan oppnå en rimelig følsomhet for å oppdage endringer på bakkenivå i jordens magnetfelt, for eksempel indusert av nærliggende kraftledninger eller tog. Denne følsomheten – mindre enn 1 nT/sqrt(Hz) – er på nivå med den som oppnås for diamant som har de naturlig forekommende konsentrasjonene av karbonisotoper – diamant inneholder vanligvis to isotoper, C12 og C1. 3. Høyere følsomhet har blitt oppnådd med isotopisk ren, laboratoriedyrket diamant, der den beste er rundt 1 pT/sqrt(Hz) – et nivå som er egnet for deteksjon av endringer i biologiske magnetiske felt i hjertet eller i skjelettmuskulaturen. Jeg ser for meg at de kan nå et slikt følsomhetsnivå ved å øke energien til sollyset som kommer inn i enheten eller ved å tilpasse både isotopinnholdet i diamanten og NV-senterkonsentrasjonen.
Denne demonstrasjonen er et første skritt mot å drive kvanteteknologier direkte med fornybar energi, og eliminerer behovet for dem å koble til en ekstern strømkilde. Ved å gjøre det viser Zhu og kolleger at enheten deres har en mye høyere energieffektivitet enn lignende netttilkoblede enheter.
Referanser
- C. L. Degen et al.“Kvanteføling,” Rev. Mod. Phys. 89035002 (2017).
- Y. Zhu et al.“Sollys-drevet kvantemagnetometri,” PRX energi 1033002 (2022).
- FM Stürner et al.“Integrert og bærbart magnetometer basert på nitrogen-ledige ensembler i diamant,” Adv. Quantum Tech. 42000111 (2021).