Физика

Сегодня квантовые датчики уже не являются областью научной фантастики и используются в различных приложениях: от измерения времени и обнаружения гравитационных волн до наномасштабной магнитометрии [1]. Создавая новые квантовые датчики, большинство исследователей сосредотачиваются на создании максимально точных устройств, что обычно требует использования передовых, энергоемких технологий. Такое высокое потребление энергии может быть проблематичным для датчиков, предназначенных для использования в удаленных местах на Земле, в космосе или в датчиках Интернета вещей, которые не подключены к электросети. Чтобы уменьшить зависимость квантовых датчиков от внешних источников энергии, Юнбин Чжу из Университета науки и технологий Китая и его коллеги теперь демонстрируют квантовый датчик, который напрямую использует возобновляемые источники энергии для получения энергии, необходимой ему для работы [2]. Новое устройство может расширить использование квантовых датчиков, а также помочь значительно снизить затраты на энергию квантовых датчиков в существующих приложениях.

Сегодня квантовые технологии в основном используются в исследовательских лабораториях, которые имеют практически неограниченный доступ к энергии. Типичное устройство работает при криогенных температурах и требует мощных лазеров, усилителей микроволновой частоты и генераторов сигналов. Такое устройство может потреблять тысячи ватт и работать 24 часа в сутки. Один из способов снизить эти затраты на энергию — создание датчиков на основе систем, не требующих криогенного охлаждения, таких как алмазные дефекты, известные как центры азотных вакансий (NV). Однако для таких датчиков по-прежнему требуется мощный лазер, который может легко потреблять 100–1000 Вт, и микроволновый источник питания, который требует около 100 Вт. Исследователи также работают над миниатюризацией датчиков — процессом, который обычно снижает энергопотребление. Но текущие версии этих датчиков меньшего размера по-прежнему получают питание от сети [3].

Чжу и его коллеги используют другой подход, разработав квантовый датчик, который генерирует собственную энергию из возобновляемого источника энергии, в данном случае солнечной энергии (рис. 1). Датчик команды состоит из ансамбля NV-центров в алмазе, хорошо зарекомендовавшей себя твердотельной квантово-чувствительной платформы, которая может работать в широком диапазоне температур (0–600 К), давлений (до 40 ГПа) и магнитные поля (0–12 Тл).

Азотно-вакансионные центры — это дефекты, которые обычно создаются путем имплантации ионов азота в решетку алмаза. Центры удерживают носители заряда, такие как электроны или дырки, создавая локализованное электронное состояние. Пользователи могут считывать спин этого состояния, возбуждая дефект лазером. Затем NV-центр излучает излучение посредством флуоресценции, интенсивность которого коррелирует со вращением системы. Исследователи обычно используют для такого возбуждения зеленый лазер, поскольку этот цвет света создает самую сильную флуоресценцию в системе (испускаемое излучение имеет красный цвет).

Для использования в квантовых приложениях NV-центры идеальны, поскольку они работают при комнатной температуре, поэтому никаких охлаждающих устройств не требуется. Однако им требуется лазер для возбуждения НВ-центра. Им также требуются генератор магнитного поля и усилитель микроволновой частоты: частоту флуоресценции NV-центра можно разделить на две части, применив смещающее магнитное поле, а к двум результирующим пикам излучения можно получить доступ, проведя микроволновый усилитель по этим частотам. Точные положения этих пиков кодируют информацию о любых изменениях окружающего магнитного поля относительно смещения, а также об изменениях температуры или деформации устройства.

Устройство Чжу и его коллег позволяет отказаться и от лазера, и от усилителя. Вместо того, чтобы использовать лазерный свет для возбуждения NV-центра, исследователи используют солнечный свет, фильтруя его с помощью оптического полосового фильтра, так что на NV-центр попадают только волны зеленого цвета. Они также используют так называемый концентратор потока из железа для усиления магнитного поля Земли примерно до 100–300 Гс. При такой напряженности магнитного поля энергетическая структура NV-центров позволяет полностью оптически обнаруживать изменения окружающего магнитного поля. просто контролируя яркость флуоресценции устройства. Эта способность позволяет команде запускать датчик без отдельного генератора магнитного поля или отдельного внешнего усилителя микроволновой частоты.