光子盒研究院出品

中國科學技術大學杜江峰院士團隊展示了一種量子傳感器，它可以利用陽光和環境磁場為其供能，有助于降低這種耗能技術的能源成本。10月17日，論文正式發表在《物理評論X能源》期刊上[1]。

由金剛石缺陷制成的新設計的量子傳感器可以在沒有外部電源的情況下運行。

01 傳統量子傳感器是一種耗能技術

在制造新的量子傳感器時，大多數研究人員專注于制造盡可能精確的設備，這通常需要使用先進的、耗能的技術。都是對于地球上偏遠地區、太空中或未連接到電源的物聯網，在設計傳感器時，這種高能耗可能會帶來問題。為了減少量子傳感器對外部能源的依賴，中國科學技術大學的杜江峰院士團隊現在展示了一種量子傳感器，它可以直接利用可再生能源來獲取其運行所需的能量[2]。新設備可以擴大量子傳感器的使用范圍，并有助于降低現有應用中量子傳感器的能源成本。

現今，量子技術主要在研究實驗室中發現，這些實驗室幾乎可以無限獲取能源。典型的設備在低溫下工作，需要強大的激光器、微波頻率放大器和波形發生器。這樣的設備可以消耗數千瓦，并且每天24小時運行。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制造傳感器，例如被稱為氮空位(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，這一過程通常會降低功耗；但是這些較小傳感器的當前版本仍需要從電網獲取電力[2]。

02 太陽光驅動的量子磁力計

杜江峰團隊采用了不同的方法，開發了一種量子傳感器，該傳感器從可再生能源（在本例中為太陽能）獲取能量。該團隊的傳感器由金剛石中的NV中心集合制成，這是一個成熟的固態量子傳感平臺，可以在很寬的溫度范圍（0-600 K）、壓力（高達40 GPa）和磁場（0-12 T）下工作。

氮空位中心是通常通過將氮離子注入金剛石晶格而產生的缺陷。這些中心限制了電荷載流子（例如電子或空穴），從而產生了局部電子態。用戶可以通過用激光激發缺陷來讀出這種狀態的自旋。NV中心然后通過熒光發射輻射，其強度與系統的自旋相關。研究人員通常使用綠色激光進行這種激發，因為這種顏色的光會在系統中產生最強的熒光（發射的輻射是紅色的）。

對于量子應用，NV中心是理想的，因為它們在室溫下運行，因此不需要冷卻設備。然而，它們確實需要激光來激發NV中心。它們還需要一個磁場發生器和一個微波頻率放大器：通過施加偏置磁場可以將NV中心的熒光頻率分成兩部分，并且可以通過將微波放大器掃過這些頻率來獲得兩個產生的發射峰。這些峰值的確切位置編碼了有關環境磁場相對于偏置的任何變化以及設備溫度或應變變化的信息。

實驗團隊的設備取消了激光器和放大器。研究人員沒有使用激光來激發NV中心，而是使用陽光，用光學帶通濾波器對其進行過濾，以便只有綠色波長入射到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放大到100-300 G左右。在這些磁場強度下，NV中心的能量結構允許全光學檢測環境磁場的變化只需監測設備熒光的亮度即可。這種能力允許團隊在沒有單獨的磁場發生器或單獨的外部微波頻率放大器的情況下運行傳感器。

綠色光照在量子設備中基于金剛石的傳感器上，可用于測量磁場。在這個原型中，一個透鏡（頂部）收集太陽光，它被過濾后只留下綠色波長的光。這種綠光為傳統量子設備所依賴的高耗能激光器所產生的光線提供了一種環保的替代品。

太陽光驅動的磁力測量法的示意圖。

太陽光驅動磁力儀的演示。

該團隊的設備僅需0.1 W即可運行——運行低能耗光電探測器以進行自旋讀數需要該功率。研究人員表明，他們可以獲得合理的靈敏度來檢測地球磁場的地面變化，例如，附近的電力線或火車的存在。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到的靈敏度相當：這一水平適用于檢測心臟或骨骼肌中生物磁場的變化。未來，實驗團隊可以通過增加進入設備的陽光能量或通過定制金剛石的同位素含量和NV中心濃度來達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提供動力的第一步，無需連接外部電源；同時，實驗數據還表明，他們的設備比類似的并網設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