Les chercheurs ont démontré avec succès un capteur quantique qui peut fonctionner avec le champ magnétique ambiant et la lumière du soleil ; cela peut aider à réduire les coûts énergétiques associés à cet appareil consommateur d'énergie.
Aujourd'hui, les capteurs quantiques sont utilisés dans divers domaines tels que la magnétométrie à l'échelle nanométrique, la détection des ondes gravitationnelles et la mesure du temps. La plupart des chercheurs visent à construire les capteurs quantiques les plus sensibles possibles, ce qui nécessite souvent l'utilisation de technologies sophistiquées consommatrices d'énergie. Cette consommation d'énergie élevée peut être problématique pour les capteurs destinés à être utilisés dans des régions éloignées de la Terre, dans l'espace ou dans des capteurs hors réseau de l'Internet des objets. Yunbin Zhu de l'Université des sciences et technologies de Chine et ses collègues ont présenté un capteur quantique qui utilise directement des sources d'énergie renouvelables pour obtenir l'énergie dont il a besoin pour fonctionner, réduisant ainsi le besoin de sources d'énergie externes pour les capteurs quantiques.
Ce nouveau dispositif pourrait réduire considérablement les coûts énergétiques des capteurs quantiques dans les applications existantes et étendre l'utilisation des capteurs quantiques.
Aujourd'hui, les laboratoires de recherche avec un accès presque illimité à l'énergie sont les lieux où la plupart des technologies quantiques sont découvertes. Des lasers puissants, des amplificateurs de fréquence micro-ondes et des générateurs de formes d'onde sont nécessaires pour qu'un dispositif conventionnel fonctionne à des températures cryogéniques. Un appareil comme celui-ci peut utiliser des milliers de watts et fonctionner en continu. La fabrication de capteurs à partir de systèmes qui ne nécessitent pas de refroidissement cryogénique, tels que les centres à vide d'azote (NV) avec des défauts en diamant, est une méthode pour réduire ces coûts énergétiques. De tels capteurs nécessitent toujours un laser puissant pouvant utiliser 100-1000 W et une source micro-onde nécessitant environ 100 W.
La miniaturisation des capteurs, procédé qui permet normalement de réduire la consommation électrique, est un autre domaine de recherche. Mais les dernières itérations de ces minuscules capteurs continuent d'utiliser le réseau pour l'alimentation.
Zhu et ses collègues adoptent une stratégie différente en créant un capteur quantique qui génère sa propre électricité à partir d'une source d'énergie renouvelable (dans ce cas, l'énergie solaire).
Le capteur de l'équipe est construit à partir d'une collection de centres NV en diamant, une technologie de détection quantique à l'état solide bien connue qui peut fonctionner dans une variété de conditions, y compris les hautes pressions (jusqu'à 40 GPa), les basses températures (0-600 K ), et champs magnétiques (0-12 T). Les ions d'azote sont souvent injectés dans le réseau de diamant pour produire des centres de lacunes d'azote, qui sont des défauts. Un état électronique limité est produit par des centres qui piègent les porteurs de charge tels que les électrons ou les trous.
En stimulant le défaut au laser, les utilisateurs peuvent lire la rotation de cette condition. Ensuite, le centre NV émet une fluorescence, produisant un rayonnement dont la force est liée au spin du système. Parce que les lasers verts ont la plus grande fluorescence du système, les scientifiques les utilisent souvent pour cette excitation.
Parce que les centres NV fonctionnent à température ambiante et n'ont pas besoin de système de refroidissement, ils sont parfaits pour une utilisation dans les applications quantiques. Cependant, ils ont besoin d'un laser pour exciter le noyau NV. La fréquence de fluorescence du centre NV peut être divisée en deux en ajoutant un champ magnétique de polarisation, et les deux pics d'émission résultants sont accessibles en balayant l'amplificateur micro-ondes sur ces fréquences. Ils ont également besoin d'un générateur de champ magnétique et d'un amplificateur de fréquence micro-ondes. Ces pics fournissent des informations sur les changements de température et de contrainte dans le dispositif, ainsi que sur tout changement du champ magnétique ambiant par rapport à la tension de polarisation.
La technologie développée par Zhu et ses collègues élimine à la fois le laser et l'amplificateur. Les chercheurs filtrent la lumière du soleil à l'aide d'un filtre passe-bande optique afin que seules les longueurs d'onde vertes entrent à la place de la lumière laser pour activer le centre NV.
Ils utilisent également un dispositif en fer connu sous le nom de concentrateur de flux pour augmenter le champ magnétique terrestre de 100 à 300 Gs. La nature énergétique des centres NV à certaines intensités de champ magnétique permet une détection purement optique des changements dans le champ magnétique environnant en observant simplement l'intensité de fluorescence de l'appareil. Grâce à cette fonctionnalité, l'équipe peut piloter un capteur sans avoir besoin d'un générateur de champ magnétique supplémentaire ou d'un amplificateur de fréquence micro-ondes externe.
L'appareil de l'équipe n'a besoin que de 0,1 W pour fonctionner, ce qui est suffisant pour alimenter un photodétecteur à faible consommation d'énergie pour la lecture de spin. Les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient détecter avec une précision remarquable les changements du champ magnétique terrestre au niveau du sol, provoqués, par exemple, par la présence de lignes électriques ou de trains à proximité.
Cette sensibilité est inférieure à 1 nT/sqrt(Hz), comparable à celle du diamant, qui contient normalement des quantités naturelles des deux isotopes du carbone C12 et C13. Une sensibilité plus élevée est obtenue avec un diamant isotopiquement pur, cultivé en laboratoire ; le meilleur se situe dans la plage de 1 pT/sqrt (Hz), ce qui convient à la détection de changements dans les champs magnétiques biologiques du cœur ou des muscles squelettiques. Je pense qu'ils peuvent atteindre un tel niveau de précision en augmentant la quantité de lumière solaire pénétrant dans l'outil ou en ajustant la composition isotopique du diamant et la concentration des centres NV.
Cette expérience représente la première étape vers l'alimentation directe de la technologie quantique en énergie renouvelable, éliminant ainsi le besoin d'une source d'alimentation externe. Ce faisant, Zhu et ses collègues montrent que leurs appareils sont nettement plus économes en énergie que des appareils similaires connectés au réseau.
Source : physics.aps.org/
Günceleme: 19/10/2022 21:25
Soyez le premier à commenter