物理

量子センサーはもはや SF の領域ではなく、現在、計時や重力波の検出からナノスケールの磁力測定に至るまで、さまざまな用途に使用されています [1]。 新しい量子センサーを作成する場合、ほとんどの研究者は可能な限り正確なデバイスを作成することに重点を置きますが、これには通常、エネルギーを大量に消費する高度な技術の使用が必要になります。 この高いエネルギー消費は、地球上の遠隔地、宇宙、または主電源に接続されていないモノのインターネット センサーで使用するように設計されたセンサーにとって問題となる可能性があります。 量子センサーの外部エネルギー源への依存を減らすために、中国科学技術大学のYunbin Zhuらは現在、再生可能エネルギー源を直接利用して動作に必要なエネルギーを得る量子センサーを実証している[2]。 新しいデバイスは、量子センサーの使用を拡大するだけでなく、既存のアプリケーションにおける量子センサーのエネルギーコストの大幅な削減にも役立つ可能性があります。

現在、量子技術は主に研究室で使用されており、事実上無制限にエネルギーにアクセスできます。 一般的なデバイスは極低温で動作し、強力なレーザー、マイクロ波周波数増幅器、波形発生器を必要とします。 このようなデバイスは数千ワットを消費する可能性があり、1 日 24 時間動作します。 これらのエネルギーコストを削減する 1 つの方法は、窒素空孔 (NV) センターとして知られるダイヤモンドの欠陥など、極低温冷却を必要としないシステムからセンサーを作成することです。 ただし、このようなセンサーには、依然として 100 ～ 1000 W を簡単に消費する強力なレーザーと、約 100 W を必要とするマイクロ波電源が必要です。研究者は、通常消費電力を削減するプロセスであるセンサーの小型化にも取り組んでいます。 しかし、これらの小型センサーの現行バージョンは依然として電力網から電力を供給しています [3]。

Zhuらは、再生可能エネルギー源（この場合は太陽エネルギー）から独自の電力を生成する量子センサーを開発するという、異なるアプローチを採用している（図1）。 チームのセンサーは、ダイヤモンドの NV センターの集合体から作られています。これは、広範囲の温度 (0 ～ 600 K)、圧力 (最大 40 GPa)、および磁場 (0 ～ 12 T)。

窒素空孔中心は、通常、ダイヤモンド格子に窒素イオンを注入することによって作成される欠陥です。 この中心は、電子や正孔などの電荷キャリアを閉じ込めて、局所的な電子状態を作成します。 ユーザーは、欠陥をレーザーで励起することで、この状態のスピンを読み取ることができます。 次に、NV センターは蛍光を介して放射線を放出し、その強度はシステムのスピンと相関します。 研究者は通常、この励起に緑色のレーザーを使用します。これは、その色の光が系内で最も強い蛍光を発するためです (放射される放射線は赤色です)。

NV センターは室温で動作するため、冷却装置が不要であり、量子アプリケーションでの使用に最適です。 ただし、NV 中心を励起するためにレーザーが必要です。 また、磁場発生器とマイクロ波周波数増幅器も必要です。NV センターの蛍光周波数は、バイアス磁場を適用することで 2 つに分割でき、結果として生じる 2 つの発光ピークには、これらの周波数を通してマイクロ波増幅器を掃引することでアクセスできます。 これらのピークの正確な位置は、デバイスの温度や歪みの変化だけでなく、バ​​イアスに対する周囲磁場の変化に関する情報をエンコードします。

Zhu 氏らのデバイスでは、レーザーと増幅器の両方が不要になっています。 研究者らは、レーザー光を使用してNV中心を励起するのではなく、太陽光を使用し、光学バンドパスフィルターでフィルタリングして、緑色の波長のみがNV中心に入射するようにしている。 また、地球の磁場を約 100 ～ 300 G まで増幅するために鉄製のいわゆる磁束集中器も使用しています。これらの磁場強度では、NV センターのエネルギー構造により、周囲の磁場の変化を全光学的に検出できます。デバイスの蛍光の明るさを監視するだけです。 この機能により、チームは別個の磁場発生器や外部マイクロ波周波数増幅器を使用せずにセンサーを実行できるようになりました。

チームのデバイスの動作に必要な電力はわずか 0.1 W です。この電力は、スピン読み出し用の低エネルギー消費光検出器を動作させるのに必要です。 研究者らは、近くの送電線や電車の存在などによって引き起こされる地球の磁場の地表レベルの変化を検出するのに、妥当な感度が得られることを示した。 この感度 (1 nT/sqrt(Hz) 未満) は、天然に存在する濃度の炭素同位体を含むダイヤモンドで達成される感度と同等です (ダイヤモンドには通常、C12 と C13 の 2 つの同位体が含まれています)。 同位体的に純粋なラボ グロウン ダイヤモンドを使用すると、より高い感度が達成され、最高感度は約 1 pT/sqrt(Hz) であり、これは心臓または骨格筋内の生体磁場の変化の検出に適したレベルです。 私は、デバイスに入る太陽光のエネルギーを増やすか、ダイヤモンドの同位体含有量とNV中心濃度の両方をカスタマイズすることによって、そのような感度レベルに到達できるのではないかと想像しています。

このデモンストレーションは、量子テクノロジーを再生可能エネルギーで直接駆動し、外部電源に接続する必要性を排除するための第一歩です。 そうすることで、Zhu 氏らは、自社のデバイスが同様の系統接続デバイスよりもエネルギー効率がはるかに高いことを示しました。

ヴァディム・ヴォロビョフはモスクワ物理工科大学で物理学を学び、博士号を取得しました。 2017 年にロシア科学アカデミーのレベデフ物理研究所で博士号を取得しました。2018 年からはドイツのシュトゥットガルト大学で研究員を務めています。 量子センシングと量子情報処理に焦点を当てて、固体量子欠陥とその応用を研究しています。

Yunbin Zhu、Yijin Xie、Ke Jing、Ziyun Yu、Huiyao Yu、Wenzhe Zhang、Xi Qin、Chang-Kui Duan、Xing Rong、Jiangfeng Du

PRX エネルギー 1、033002 (2022)

2022 年 10 月 17 日発行

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