光子盒研究院出品
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜江峰院士團(tuán)隊(duì)展示了一種量子傳感器，它可以利用陽(yáng)光和環(huán)境磁場(chǎng)為其供能，有助于降低這種耗能技術(shù)的能源成本。10月17日，論文正式發(fā)表在《物理評(píng)論X能源》期刊上[1]。
由金剛石缺陷制成的新設(shè)計(jì)的量子傳感器可以在沒(méi)有外部電源的情況下運(yùn)行。
01 傳統(tǒng)量子傳感器是一種耗能技術(shù)
在制造新的量子傳感器時(shí)，大多數(shù)研究人員專(zhuān)注于制造盡可能精確的設(shè)備，這通常需要使用先進(jìn)的、耗能的技術(shù)。都是對(duì)于地球上偏遠(yuǎn)地區(qū)、太空中或未連接到電源的物聯(lián)網(wǎng)，在設(shè)計(jì)傳感器時(shí)，這種高能耗可能會(huì)帶來(lái)問(wèn)題。為了減少量子傳感器對(duì)外部能源的依賴(lài)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的杜江峰院士團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在展示了一種量子傳感器，它可以直接利用可再生能源來(lái)獲取其運(yùn)行所需的能量[2]。新設(shè)備可以擴(kuò)大量子傳感器的使用范圍，并有助于降低現(xiàn)有應(yīng)用中量子傳感器的能源成本。
現(xiàn)今，量子技術(shù)主要在研究實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)，這些實(shí)驗(yàn)室?guī)缀蹩梢詿o(wú)限獲取能源。典型的設(shè)備在低溫下工作，需要強(qiáng)大的激光器、微波頻率放大器和波形發(fā)生器。這樣的設(shè)備可以消耗數(shù)千瓦，并且每天24小時(shí)運(yùn)行。降低這些能源成本的一種方法是使用不需要低溫冷卻的系統(tǒng)制造傳感器，例如被稱(chēng)為氮空位(NV)中心的金剛石缺陷。然而，這樣的傳感器仍然需要強(qiáng)大的激光，可以輕松消耗100-1000W，以及需要大約100W的微波電源。雖然研究人員正在研究小型化傳感器，這一過(guò)程通常會(huì)降低功耗；但是這些較小傳感器的當(dāng)前版本仍需要從電網(wǎng)獲取電力[2]。
02 太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)的量子磁力計(jì)
杜江峰團(tuán)隊(duì)采用了不同的方法，開(kāi)發(fā)了一種量子傳感器，該傳感器從可再生能源（在本例中為太陽(yáng)能）獲取能量。該團(tuán)隊(duì)的傳感器由金剛石中的NV中心集合制成，這是一個(gè)成熟的固態(tài)量子傳感平臺(tái)，可以在很寬的溫度范圍（0-600 K）、壓力（高達(dá)40 GPa）和磁場(chǎng)（0-12 T）下工作。
氮空位中心是通常通過(guò)將氮離子注入金剛石晶格而產(chǎn)生的缺陷。這些中心限制了電荷載流子（例如電子或空穴），從而產(chǎn)生了局部電子態(tài)。用戶(hù)可以通過(guò)用激光激發(fā)缺陷來(lái)讀出這種狀態(tài)的自旋。NV中心然后通過(guò)熒光發(fā)射輻射，其強(qiáng)度與系統(tǒng)的自旋相關(guān)。研究人員通常使用綠色激光進(jìn)行這種激發(fā)，因?yàn)檫@種顏色的光會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生最強(qiáng)的熒光（發(fā)射的輻射是紅色的）。
對(duì)于量子應(yīng)用，NV中心是理想的，因?yàn)樗鼈冊(cè)谑覝叵逻\(yùn)行，因此不需要冷卻設(shè)備。然而，它們確實(shí)需要激光來(lái)激發(fā)NV中心。它們還需要一個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生器和一個(gè)微波頻率放大器：通過(guò)施加偏置磁場(chǎng)可以將NV中心的熒光頻率分成兩部分，并且可以通過(guò)將微波放大器掃過(guò)這些頻率來(lái)獲得兩個(gè)產(chǎn)生的發(fā)射峰。這些峰值的確切位置編碼了有關(guān)環(huán)境磁場(chǎng)相對(duì)于偏置的任何變化以及設(shè)備溫度或應(yīng)變變化的信息。
實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)的設(shè)備取消了激光器和放大器。研究人員沒(méi)有使用激光來(lái)激發(fā)NV中心，而是使用陽(yáng)光，用光學(xué)帶通濾波器對(duì)其進(jìn)行過(guò)濾，以便只有綠色波長(zhǎng)入射到NV中心。他們還使用由鐵制成的所謂通量集中器將地球磁場(chǎng)放大到100-300 G左右。在這些磁場(chǎng)強(qiáng)度下，NV中心的能量結(jié)構(gòu)允許全光學(xué)檢測(cè)環(huán)境磁場(chǎng)的變化只需監(jiān)測(cè)設(shè)備熒光的亮度即可。這種能力允許團(tuán)隊(duì)在沒(méi)有單獨(dú)的磁場(chǎng)發(fā)生器或單獨(dú)的外部微波頻率放大器的情況下運(yùn)行傳感器。
綠色光照在量子設(shè)備中基于金剛石的傳感器上，可用于測(cè)量磁場(chǎng)。在這個(gè)原型中，一個(gè)透鏡（頂部）收集太陽(yáng)光，它被過(guò)濾后只留下綠色波長(zhǎng)的光。這種綠光為傳統(tǒng)量子設(shè)備所依賴(lài)的高耗能激光器所產(chǎn)生的光線(xiàn)提供了一種環(huán)保的替代品。
太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)的磁力測(cè)量法的示意圖。
太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)磁力儀的演示。
該團(tuán)隊(duì)的設(shè)備僅需0.1 W即可運(yùn)行——運(yùn)行低能耗光電探測(cè)器以進(jìn)行自旋讀數(shù)需要該功率。研究人員表明，他們可以獲得合理的靈敏度來(lái)檢測(cè)地球磁場(chǎng)的地面變化，例如，附近的電力線(xiàn)或火車(chē)的存在。這種靈敏度小于1 nT/sqrt(Hz)，與具有天然碳同位素濃度的金剛石所達(dá)到的靈敏度相當(dāng)：這一水平適用于檢測(cè)心臟或骨骼肌中生物磁場(chǎng)的變化。未來(lái)，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)可以通過(guò)增加進(jìn)入設(shè)備的陽(yáng)光能量或通過(guò)定制金剛石的同位素含量和NV中心濃度來(lái)達(dá)到這樣的靈敏度水平[3]。
該演示是直接使用可再生能源為量子技術(shù)提供動(dòng)力的第一步，無(wú)需連接外部電源；同時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還表明，他們的設(shè)備比類(lèi)似的并網(wǎng)設(shè)備具有更高的能源效率。
參考鏈接：
[1]https://journals.aps.org/prxenergy/abstract/10.1103/PRXEnergy.1.033002
[2]https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/qute.202000111
[3]https://physics.aps.org/articles/v15/158#c1
