Araştırmacılar, ortamdaki manyetik alan ve güneş ışığı ile çalışabilen bir kuantum sensörünü başarılı bir şekilde gösterdiler; bu da enerji tüketen bu cihazla ilişkili enerji maliyetlerini düşürmeye yardımcı olabilir.
Günümüzde kuantum sensörleri nano ölçekte manyetometri, yerçekimsel dalga tespiti ve zaman ölçümü gibi çeşitli alanlarda kullanılmaktadır. Çoğu araştırmacı mümkün olan en hassas kuantum sensörlerini inşa etmeyi amaçlamaktadır, bu da genellikle sofistike-enerji tüketen-teknolojilerin kullanılmasını gerektirmektedir. Dünya’nın uzak bölgelerinde, uzayda veya elektrik şebekesine bağlı olmayan Nesnelerin İnterneti sensörlerinde kullanılması amaçlanan sensörler için bu yüksek enerji tüketimi sorun yaratabilir. Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden Yunbin Zhu ve meslektaşları, kuantum sensörlerinin harici enerji kaynaklarına olan ihtiyacını azaltarak, çalışmak için ihtiyaç duyduğu enerjiyi almak üzere doğrudan yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanan bir kuantum sensörü gösterdiler.
Bu yeni aygıt, mevcut uygulamalardaki kuantum sensörlerinin enerji maliyetlerini önemli ölçüde düşürebilir ve kuantum sensörlerinin kullanımını yaygınlaştırabilir.
Günümüzde, enerjiye neredeyse sınırsız erişimi olan araştırma laboratuvarları, kuantum teknolojilerinin çoğunun keşfedildiği yerlerdir. Geleneksel bir cihazın kriyojenik sıcaklıklarda çalışabilmesi için güçlü lazerlere, mikrodalga frekanslı amplifikatörlere ve dalga formu jeneratörlerine ihtiyaç vardır. Bunun gibi bir cihaz binlerce watt kullanabilir ve sürekli çalışabilir. Elmas kusurları olan nitrojen boşluklu (NV) merkezler gibi kriyojenik soğutma gerektirmeyen sistemlerden sensörler yapmak, bu enerji maliyetlerini düşürmenin bir yöntemidir. Bu tür sensörler hala 100-1000 W kullanabilen güçlü bir lazere ve yaklaşık 100 W gerektiren bir mikrodalga kaynağına ihtiyaç duymaktadır.
Normalde güç tüketimini azaltan bir prosedür olan sensörlerin minyatürleştirilmesi bir başka araştırma alanıdır. Ancak bu küçük sensörlerin en son yinelemeleri güç için şebekeyi kullanmaya devam ediyor.
Zhu ve meslektaşları, kendi elektriğini yenilenebilir bir enerji kaynağından (bu durumda güneş enerjisi) üreten bir kuantum sensörü yaratarak farklı bir strateji benimsiyor.
Ekibin sensörü, yüksek basınçlar (40 GPa’ya kadar), düşük sıcaklıklar (0-600 K) ve manyetik alanlar (0-12 T) dahil olmak üzere çeşitli koşullarda çalışabilen tanınmış bir katı hal kuantum algılama teknolojisi olan elmastaki NV merkezleri koleksiyonundan oluşturulmuştur. Azot iyonları, kusurlar olan azot boşluk merkezleri üretmek için sıklıkla elmas kafesine enjekte edilir. Elektronlar veya delikler gibi yük taşıyıcılarını hapseden merkezler tarafından sınırlı bir elektronik durum üretilir.
Kusuru lazerle uyararak, kullanıcılar bu durumun spinini okuyabilir. Ardından, NV merkezi floresan vererek gücü sistemin spini ile ilişkili olan radyasyon üretir. Yeşil lazerler sistemin en büyük floresanına sahip olduğundan, bilim insanları bu uyarma için sıklıkla bunları kullanmaktadır.
NV merkezleri oda sıcaklığında çalıştığından ve bir soğutma sistemine ihtiyaç duymadığından, kuantum uygulamalarında kullanım için mükemmeldir. Ancak, NV çekirdeğini uyarmak için bir lazere ihtiyaç duyarlar. NV merkezinin floresan frekansı, bir önyargı manyetik alanı eklenerek ikiye bölünebilir ve ortaya çıkan iki emisyon zirvesine, mikrodalga amplifikatörünü bu frekanslar üzerinde süpürerek erişilebilir. Ayrıca bir manyetik alan jeneratörüne ve bir mikrodalga frekans amplifikatörüne ihtiyaçları vardır. Bu tepe noktaları, cihazdaki sıcaklık ve gerinim değişikliklerinin yanı sıra öngerilime göre ortam manyetik alanındaki herhangi bir değişiklik hakkında bilgi verir.
Zhu ve meslektaşları tarafından geliştirilen teknoloji hem lazeri hem de yükselticiyi ortadan kaldırıyor. Araştırmacılar optik bir bant geçiren filtre kullanarak güneş ışığını filtreliyor, böylece NV merkezini etkinleştirmek için lazer ışığı yerine yalnızca yeşil dalga boyları geliyor.
Ayrıca, Dünya’nın manyetik alanını 100 ila 300 G’ye çıkarmak için akı yoğunlaştırıcı olarak bilinen demir bir cihaz kullanıyorlar. Belirli manyetik alan güçlerinde NV merkezlerinin enerji yapısı, sadece cihazın floresan yoğunluğunu gözlemleyerek çevredeki manyetik alandaki değişikliklerin tamamen optik olarak algılanmasını sağlar. Bu özellik sayesinde ekip, ek bir manyetik alan jeneratörüne veya harici mikrodalga frekans amplifikatörüne ihtiyaç duymadan bir sensörü çalıştırabiliyor.
Ekibin cihazının çalışması için sadece 0,1 W’a ihtiyacı var, bu da spin okuma için düşük enerji tüketimine sahip bir foto dedektöre güç sağlamak için yeterli. Araştırmacılar, Dünya’nın manyetik alanında, örneğin yakındaki elektrik hatları ya da trenlerin varlığından kaynaklanan yer seviyesindeki değişiklikleri kayda değer bir hassasiyetle tespit edebildiklerini gösterdiler.
Bu hassasiyet, 1 nT/sqrt(Hz)’den daha az olup, normalde iki karbon izotopu C12 ve C13’ü doğal miktarlarda içeren elmasınkiyle karşılaştırılabilir. İzotopik olarak saf, laboratuarda yetiştirilmiş elmas ile daha yüksek hassasiyete ulaşılmıştır; en iyisi 1 pT/sqrt(Hz) aralığındadır ve bu da kalp veya iskelet kaslarındaki biyolojik manyetik alanlardaki değişiklikleri tespit etmek için uygundur. Alete nüfuz eden güneş ışığı miktarını artırarak ya da elmasın izotopik bileşimini ve NV merkezlerinin konsantrasyonunu ayarlayarak böyle bir hassasiyet seviyesine ulaşabileceklerine inanıyorum.
Bu deney, kuantum teknolojisini doğrudan yenilenebilir enerjiyle beslemeye yönelik ilk adımı temsil ediyor ve harici bir güç kaynağı ihtiyacını ortadan kaldırıyor. Zhu ve meslektaşları, bunu yaparak cihazlarının benzer şebekeye bağlı cihazlardan önemli ölçüde daha yüksek enerji verimliliğine sahip olduğunu gösteriyor.
Kaynak: physics.aps.org/
