“绿色”量子传感器：中国科大实现首个太阳光驱动的量子磁力计

中国科学技术大学杜江峰院士团队展示了一种量子传感器，它可以利用阳光和环境磁场为其供能，有助于降低这种耗能技术的能源成本。10月17日，论文正式发表在《物理评论X能源》期刊上[1]。

由金刚石缺陷制成的新设计的量子传感器可以在没有外部电源的情况下运行。

01、传统量子传感器是一种耗能技术

在制造新的量子传感器时，大多数研究人员专注于制造尽可能精确的设备，这通常需要使用先进的、耗能的技术。都是对于地球上偏远地区、太空中或未连接到电源的物联网，在设计传感器时，这种高能耗可能会带来问题。为了减少量子传感器对外部能源的依赖，中国科学技术大学的杜江峰院士团队现在展示了一种量子传感器，它可以直接利用可再生能源来获取其运行所需的能量[2]。新设备可以扩大量子传感器的使用范围，并有助于降低现有应用中量子传感器的能源成本。

现今，量子技术主要在研究实验室中发现，这些实验室几乎可以无限获取能源。典型的设备在低温下工作，需要强大的激光器、微波频率放大器和波形发生器。这样的设备可以消耗数千瓦，并且每天24小时运行。降低这些能源成本的一种方法是使用不需要低温冷却的系统制造传感器，例如被称为氮空位(NV)中心的金刚石缺陷。然而，这样的传感器仍然需要强大的激光，可以轻松消耗100-1000W，以及需要大约100W的微波电源。虽然研究人员正在研究小型化传感器，这一过程通常会降低功耗；但是这些较小传感器的当前版本仍需要从电网获取电力[2]。

02、太阳光驱动的量子磁力计

杜江峰团队采用了不同的方法，开发了一种量子传感器，该传感器从可再生能源（在本例中为太阳能）获取能量。该团队的传感器由金刚石中的NV中心集合制成，这是一个成熟的固态量子传感平台，可以在很宽的温度范围（0-600 K）、压力（高达40 GPa）和磁场（0-12 T）下工作。

氮空位中心是通常通过将氮离子注入金刚石晶格而产生的缺陷。这些中心限制了电荷载流子（例如电子或空穴），从而产生了局部电子态。用户可以通过用激光激发缺陷来读出这种状态的自旋。NV中心然后通过荧光发射辐射，其强度与系统的自旋相关。研究人员通常使用绿色激光进行这种激发，因为这种颜色的光会在系统中产生最强的荧光（发射的辐射是红色的）。

对于量子应用，NV中心是理想的，因为它们在室温下运行，因此不需要冷却设备。然而，它们确实需要激光来激发NV中心。它们还需要一个磁场发生器和一个微波频率放大器：通过施加偏置磁场可以将NV中心的荧光频率分成两部分，并且可以通过将微波放大器扫过这些频率来获得两个产生的发射峰。这些峰值的确切位置编码了有关环境磁场相对于偏置的任何变化以及设备温度或应变变化的信息。

实验团队的设备取消了激光器和放大器。研究人员没有使用激光来激发NV中心，而是使用阳光，用光学带通滤波器对其进行过滤，以便只有绿色波长入射到NV中心。他们还使用由铁制成的所谓通量集中器将地球磁场放大到100-300 G左右。在这些磁场强度下，NV中心的能量结构允许全光学检测环境磁场的变化只需监测设备荧光的亮度即可。这种能力允许团队在没有单独的磁场发生器或单独的外部微波频率放大器的情况下运行传感器。

绿色光照在量子设备中基于金刚石的传感器上，可用于测量磁场。在这个原型中，一个透镜（顶部）收集太阳光，它被过滤后只留下绿色波长的光。这种绿光为传统量子设备所依赖的高耗能激光器所产生的光线提供了一种环保的替代品。

太阳光驱动的磁力测量法的示意图。

太阳光驱动磁力仪的演示。

该团队的设备仅需0.1 W即可运行——运行低能耗光电探测器以进行自旋读数需要该功率。研究人员表明，他们可以获得合理的灵敏度来检测地球磁场的地面变化，例如，附近的电力线或火车的存在。这种灵敏度小于1 nT/sqrt(Hz)，与具有天然碳同位素浓度的金刚石所达到的灵敏度相当：这一水平适用于检测心脏或骨骼肌中生物磁场的变化。未来，实验团队可以通过增加进入设备的阳光能量或通过定制金刚石的同位素含量和NV中心浓度来达到这样的灵敏度水平[3]。

该演示是直接使用可再生能源为量子技术提供动力的第一步，无需连接外部电源；同时，实验数据还表明，他们的设备比类似的并网设备具有更高的能源效率。

[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