"Vihreä" kvanttianturi

Uusia kvanttiantureita tehdessään useimmat tutkijat keskittyvät luomaan mahdollisimman tarkkoja laitteita, mikä tyypillisesti edellyttää edistyksellisten ja energiaa kuluttavien tekniikoiden käyttöä.

Vähentääkseen kvanttianturien riippuvuutta ulkoisista energialähteistä Yunbin Zhu Kiinan tiede- ja teknologiayliopistosta kollegoineen esittelevät kvanttianturia, joka hyödyntää suoraan uusiutuvia energialähteitä saadakseen tarvitsemansa energian.

Nykyään kvanttiteknologiaa pääosin tutkimuslaboratorioista, joilla on käytännössä rajoittamaton pääsy energiaan. Yksi tapa vähentää energiakustannuksia on valmistaa antureita timanttien typpivakanssikeskuksista. Ne eivät vaadi kryogeenistä jäähdytystä mutta vaativat kuitenkin tehokkaan laserin, joka kuluttaa helposti 100–1000 W ja mikroaaltolähteen, joka tarvitsee noin 100 W.

Zhun tiimin anturi on valmistettu joukosta timantin NV-keskuksia ja tehokkaasta laiteintegroinnista koon pienentämiseksi. Lisäksi he onnistuivat jättämään pois myös laserin ja mikroaaltovahvistimen.

Laserin he korvasivat käyttäen auringonvaloa ja suodattaen sen optisesti siten, että vain vihreät aallonpituudet osuvat NV-keskukseen.

He käyttävät myös raudasta valmistettua ns. vuon konsentraattoria vahvistamaan Maan magneettikenttää noin 100–300 G:iin. Näillä magneettikentän voimakkuuksilla NV-keskusten energiarakenne mahdollistaa ympäristön magneettikentän muutosten täysoptisen havaitsemisen vain seuraamalla laitteen fluoresenssin kirkkautta. Näillä keinoin tiimi voi käyttää anturia ilman erillistä magneettikenttägeneraattoria tai erillistä ulkoista mikroaaltovahvistinta.

Ryhmän laite tarvitsee toimiakseen vain 0,1 W:n tehon. Sitä tarvitaan vähän energiaa kuluttavan valotunnistimen käyttämiseen spinin luentaa varten.

Tutkijat osoittavat, että he voivat saada kohtuullisen herkkyyden havaitsemaan maanpinnan tason muutoksia Maan magneettikentässä esimerkiksi lähellä olevien voimalinjojen tai junien indusoimina.

Tämä herkkyys – alle 1 nT/sqrt(Hz) – on samaa tasoa kuin timantilla, jossa on luonnossa esiintyviä hiili-isotooppien pitoisuuksia. Suuremmat herkkyydet on saavutettavissa isotooppisesti puhtaalla, laboratoriossa kasvatetulla timantilla.

Paras noin 1 pT/sqrt (Hz) herkkyystaso sopii jo sydämen tai luurankolihasten biologisten magneettikenttien muutosten havaitsemiseen ja sellaisen tutkijat uskovat voivansa saavuttaa lisäämällä laitteeseen tulevan auringonvalon energiaa tai mukauttamalla sekä timantin isotooppipitoisuutta että NV-keskuksen pitoisuutta.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttitason lämpötilamittaukset solujen tasolle

Timanttianturi jatkaa sähköauton matkaa