Physik

Quantensensoren sind keine Science-Fiction mehr, sondern werden heute in Anwendungen eingesetzt, die von der Zeitmessung über die Erkennung von Gravitationswellen bis hin zur Magnetometrie im Nanomaßstab reichen [1]. Bei der Herstellung neuer Quantensensoren konzentrieren sich die meisten Forscher auf die Entwicklung möglichst präziser Geräte, was in der Regel den Einsatz fortschrittlicher – energieintensiver – Technologien erfordert. Dieser hohe Energieverbrauch kann problematisch für Sensoren sein, die für den Einsatz an abgelegenen Orten auf der Erde, im Weltraum oder in Sensoren für das Internet der Dinge konzipiert sind, die nicht an das Stromnetz angeschlossen sind. Um die Abhängigkeit von Quantensensoren von externen Energiequellen zu verringern, demonstrieren Yunbin Zhu von der University of Science and Technology of China und Kollegen nun einen Quantensensor, der erneuerbare Energiequellen direkt nutzt, um die Energie zu gewinnen, die er zum Betrieb benötigt [2]. Das neue Gerät könnte den Einsatz von Quantensensoren erweitern und dazu beitragen, die Energiekosten von Quantensensoren in bestehenden Anwendungen deutlich zu senken.

Quantentechnologien sind heute größtenteils in Forschungslaboren zu finden, die praktisch unbegrenzten Zugang zu Energie haben. Ein typisches Gerät arbeitet bei kryogenen Temperaturen und erfordert leistungsstarke Laser, Mikrowellenfrequenzverstärker und Wellenformgeneratoren. Ein solches Gerät kann Tausende Watt verbrauchen und ist 24 Stunden am Tag in Betrieb. Eine Möglichkeit, diese Energiekosten zu senken, besteht darin, Sensoren aus Systemen herzustellen, die keine kryogene Kühlung benötigen, wie etwa Diamantdefekte, die als Stickstoff-Leerstellenzentren (NV) bekannt sind. Allerdings benötigen solche Sensoren immer noch einen leistungsstarken Laser, der problemlos 100–1000 W verbrauchen kann, und eine Mikrowellenversorgung, die etwa 100 W benötigt. Forscher arbeiten auch an der Miniaturisierung von Sensoren, einem Prozess, der typischerweise den Stromverbrauch senkt. Aktuelle Versionen dieser kleineren Sensoren beziehen ihren Strom jedoch immer noch aus dem Netz [3].

Zhu und Kollegen verfolgen einen anderen Ansatz und entwickeln einen Quantensensor, der seinen eigenen Strom aus einer erneuerbaren Energiequelle, in diesem Fall Solarenergie, erzeugt (Abb. 1). Der Sensor des Teams besteht aus einem Ensemble von NV-Zentren in Diamant, einer gut etablierten Festkörper-Quantensensorplattform, die in einem weiten Temperaturbereich (0–600 K), Druck (bis zu 40 GPa) und betrieben werden kann Magnetfelder (0–12 T).

Stickstoff-Leerstellenzentren sind Defekte, die typischerweise durch die Implantation von Stickstoffionen in ein Diamantgitter entstehen. Die Zentren halten Ladungsträger – wie Elektronen oder Löcher – fest und erzeugen so einen lokalisierten elektronischen Zustand. Den Spin dieses Zustands können Anwender auslesen, indem sie den Defekt mit einem Laser anregen. Das NV-Zentrum sendet dann über Fluoreszenz Strahlung aus, deren Intensität mit dem Spin des Systems korreliert. Für diese Anregung verwenden Forscher typischerweise einen grünen Laser, da diese Lichtfarbe die stärkste Fluoreszenz im System erzeugt (die emittierte Strahlung ist rot).

Für den Einsatz in Quantenanwendungen sind NV-Zentren ideal, da sie bei Raumtemperatur arbeiten und daher keine Kühlgeräte erforderlich sind. Sie benötigen jedoch einen Laser, um das NV-Zentrum anzuregen. Sie erfordern außerdem einen Magnetfeldgenerator und einen Mikrowellenfrequenzverstärker: Die Fluoreszenzfrequenz des NV-Zentrums kann durch Anlegen eines Vormagnetisierungsfelds in zwei Teile geteilt werden, und auf die beiden resultierenden Emissionsspitzen kann zugegriffen werden, indem der Mikrowellenverstärker durch diese Frequenzen geführt wird. Die genauen Positionen dieser Spitzen kodieren Informationen über etwaige Änderungen im Umgebungsmagnetfeld in Bezug auf die Vorspannung sowie über Änderungen in der Temperatur oder Belastung des Geräts.

Das Gerät von Zhu und Kollegen verzichtet sowohl auf den Laser als auch auf den Verstärker. Anstatt Laserlicht zur Anregung des NV-Zentrums zu verwenden, nutzen die Forscher Sonnenlicht und filtern es mit einem optischen Bandpassfilter, sodass nur grüne Wellenlängen auf das NV-Zentrum fallen. Sie verwenden außerdem einen sogenannten Flusskonzentrator aus Eisen, um das Erdmagnetfeld auf etwa 100–300 G zu verstärken. Bei diesen Magnetfeldstärken ermöglicht die Energiestruktur der NV-Zentren eine rein optische Erfassung von Änderungen im Umgebungsmagnetfeld einfach durch Überwachung der Helligkeit der Fluoreszenz des Geräts. Diese Fähigkeit ermöglicht es dem Team, einen Sensor ohne einen separaten Magnetfeldgenerator oder einen separaten externen Mikrowellenfrequenzverstärker zu betreiben.

Das Gerät des Teams benötigt zum Betrieb nur 0,1 W – diese Leistung wird benötigt, um einen Fotodetektor mit geringem Energieverbrauch für die Spin-Auslesung zu betreiben. Die Forscher zeigen, dass sie eine angemessene Empfindlichkeit für die Erkennung von bodennahen Veränderungen im Erdmagnetfeld erzielen können, die beispielsweise durch das Vorhandensein nahegelegener Stromleitungen oder Züge hervorgerufen werden. Diese Empfindlichkeit – weniger als 1 nT/sqrt(Hz) – entspricht der für Diamanten, die die natürlich vorkommenden Konzentrationen an Kohlenstoffisotopen aufweisen – Diamant enthält typischerweise zwei Isotope, C12 und C13. Höhere Empfindlichkeiten wurden mit isotopenreinem, im Labor gezüchteten Diamanten erreicht, wobei der beste Wert bei etwa 1 pT/sqrt(Hz) liegt – ein Wert, der für die Erkennung von Veränderungen in biologischen Magnetfeldern im Herzen oder in der Skelettmuskulatur geeignet ist. Ich stelle mir vor, dass sie ein solches Empfindlichkeitsniveau erreichen könnten, indem sie die Energie des Sonnenlichts erhöhen, das in das Gerät eintritt, oder indem sie sowohl den Isotopengehalt des Diamanten als auch die NV-Zentrumskonzentration anpassen.

Diese Demonstration ist ein erster Schritt, Quantentechnologien direkt mit erneuerbarer Energie zu versorgen, sodass sie nicht mehr an eine externe Stromquelle angeschlossen werden müssen. Damit zeigen Zhu und Kollegen, dass ihr Gerät eine deutlich höhere Energieeffizienz aufweist als vergleichbare netzgekoppelte Geräte.

Vadim Vorobyov studierte Physik am Moskauer Institut für Physik und Technologie und erhielt seinen Ph.D. 2017 erhielt er seinen Abschluss am Lebedev-Physikalischen Institut der Russischen Akademie der Wissenschaften. Seit 2018 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Stuttgart. Er untersucht Festkörper-Quantendefekte und ihre Anwendungen, mit einem Schwerpunkt auf Quantensensorik und Quanteninformationsverarbeitung.

Yunbin Zhu, Yijin Xie, Ke Jing, Ziyun Yu, Huiyao Yu, Wenzhe Zhang, Xi Qin, Chang-Kui Duan, Xing Rong und Jiangfeng Du

PRX Energy 1, 033002 (2022)

Veröffentlicht am 17. Oktober 2022

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