물리학

더 이상 공상 과학의 영역이 아닌 양자 센서는 오늘날 시간 유지 및 중력파 감지부터 나노 규모 자기 측정에 이르기까지 다양한 응용 분야에 사용됩니다[1]. 새로운 양자 센서를 만들 때 대부분의 연구자들은 가능한 한 정확한 장치를 만드는 데 중점을 두는데, 이를 위해서는 일반적으로 에너지를 많이 소비하는 고급 기술을 사용해야 합니다. 이러한 높은 에너지 소비는 지구, 우주 또는 주 전원에 연결되지 않은 사물 인터넷 센서의 원격 위치에서 사용하도록 설계된 센서의 경우 문제가 될 수 있습니다. 외부 에너지원에 대한 양자 센서의 의존도를 줄이기 위해 중국 과학 기술 대학의 Yunbin Zhu와 동료들은 이제 재생 에너지원을 직접 활용하여 작동에 필요한 에너지를 얻는 양자 센서를 시연합니다[2]. 새로운 장치는 양자 센서의 사용을 확대할 뿐만 아니라 기존 응용 분야에서 양자 센서의 에너지 비용을 크게 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

오늘날 양자 기술은 에너지에 사실상 무제한으로 접근할 수 있는 연구 실험실에서 주로 발견됩니다. 일반적인 장치는 극저온에서 작동하며 강력한 레이저, 마이크로파 주파수 증폭기 및 파형 발생기가 필요합니다. 이러한 장치는 수천 와트를 소비하고 하루 24시간 작동할 수 있습니다. 이러한 에너지 비용을 줄이는 한 가지 방법은 질소공극(NV) 센터로 알려진 다이아몬드 결함과 같이 극저온 냉각이 필요하지 않은 시스템에서 센서를 만드는 것입니다. 그러나 이러한 센서에는 여전히 100~1000W를 쉽게 소비할 수 있는 강력한 레이저와 약 100W가 필요한 마이크로파 공급 장치가 필요합니다. 연구원들은 또한 일반적으로 전력 소비를 줄이는 프로세스인 센서 소형화를 위해 노력하고 있습니다. 그러나 이러한 소형 센서의 최신 버전은 여전히 ​​그리드에서 전력을 공급받습니다[3].

Zhu와 동료들은 재생 에너지원(이 경우 태양 에너지)에서 자체 전력을 생성하는 양자 센서를 개발하여 다른 접근 방식을 취합니다(그림 1). 팀의 센서는 광범위한 온도(0~600K), 압력(최대 40GPa) 및 자기장(0~12T).

질소 공극 센터는 일반적으로 다이아몬드 격자에 질소 이온을 주입하여 생성되는 결함입니다. 중심은 전자나 정공과 같은 전하 캐리어를 가두어 국부적인 전자 상태를 생성합니다. 사용자는 레이저로 결함을 자극하여 이 상태의 스핀을 읽을 수 있습니다. 그런 다음 NV 센터는 형광을 통해 방사선을 방출하는데, 그 강도는 시스템의 스핀과 관련이 있습니다. 연구원들은 일반적으로 이러한 여기를 위해 녹색 레이저를 사용합니다. 그 이유는 빛의 색상이 시스템에서 가장 강한 형광을 생성하기 때문입니다(방출되는 방사선은 빨간색임).

양자 응용 분야에 사용하기 위해 NV 센터는 실온에서 작동하므로 냉각 장치가 필요하지 않기 때문에 이상적입니다. 그러나 NV 센터를 자극하려면 레이저가 필요합니다. 또한 자기장 발생기와 마이크로파 주파수 증폭기가 필요합니다. NV 센터의 형광 주파수는 바이어스 자기장을 적용하여 두 개로 분할할 수 있으며, 결과적으로 발생하는 두 개의 방출 피크는 이러한 주파수를 통해 마이크로파 증폭기를 스윕하여 액세스할 수 있습니다. 이러한 피크의 정확한 위치는 바이어스와 관련된 주변 자기장의 변화는 물론 장치의 온도 또는 변형률의 변화에 ​​대한 정보를 인코딩합니다.

Zhu와 동료의 장치는 레이저와 증폭기를 모두 없애줍니다. 연구진은 NV 중심을 자극하기 위해 레이저 광을 사용하는 대신 햇빛을 사용하고 이를 광학 대역 통과 필터로 필터링하여 녹색 파장만 NV 중심에 입사하도록 했습니다. 그들은 또한 소위 철로 만들어진 자속 집중 장치를 사용하여 지구 자기장을 약 100~300G까지 증폭합니다. 이러한 자기장 강도에서 NV 센터의 에너지 구조는 주변 자기장의 변화를 전광적으로 감지할 수 있습니다. 장치의 형광 밝기를 모니터링하면 됩니다. 이 기능을 통해 팀은 별도의 자기장 발생기나 별도의 외부 마이크로파 주파수 증폭기 없이 센서를 실행할 수 있습니다.