この環境に優しい量子センサーは太陽光で動作します

光は、磁場を測定する太陽光発電量子デバイスの心臓部であるダイヤモンド センサーを通って輝きます。

Yunbin Zhu/中国科学技術大学

ジェームズ・R・リオードン著

2022 年 9 月 19 日午前 7 時

量子技術はグリーン化しています。

高感度磁場センサーの新しい考え方により、以前のデバイスが測定を行うために依存していた電力を大量に消費するレーザーが廃止され、太陽光に置き換えられます。 レーザーは、明るい電球を点灯し続けるのと同じように、100 ワット程度の電力を消費する可能性があります。 このイノベーションにより、量子センサーがそのエネルギー需要から解放される可能性があります。 その結果、技術の最前線で環境に優しいプロトタイプが完成したと研究者らは次号の Physical Review X Energy で報告しています。

大きな工夫は、このデバイスが太陽光をどのように利用するかにあります。 光を電気に変換するために太陽電池を使用しません。 むしろ、太陽光がレーザー光の役割を果たしている、と合肥の中国科学技術大学の物理学者、ジャンフェン・ドゥ氏は言う。

量子磁力計には、磁場を測定するための強力な緑色レーザーが含まれていることがよくあります。 原子欠陥を含むダイヤモンドをレーザーで照らします (SN: 2008 年 2 月 26 日)。 この欠陥は、純粋なダイヤモンドを構成する炭素原子の一部が窒素原子に置き換わることによって発生します。 緑色レーザーは窒素欠陥を蛍光させ、周囲の磁場の強さに応じた強度の赤色光を放射します。

新しい量子センサーには緑色の光も必要です。 木の葉や草から反射される緑色の波長に見られるように、太陽光の中にはそのようなものがたくさんあります。 磁力計を作動させるのに十分な量を収集するために、Du らはレーザーを太陽光を集める直径 15 センチメートルのレンズに置き換えました。 次に、光をフィルタリングして緑色以外のすべての色を除去し、窒素原子欠陥のあるダイヤモンドに焦点を合わせました。 その結果、赤色の蛍光が発生し、レーザーを備えた磁力計と同じように磁場の強さを明らかにすることができます。

太陽電池が光を集めて電気を生成するときに起こるように、エネルギーをある種類から別の種類に変更することは、本質的に非効率なプロセスです (SN: 7/26/17)。 研究者らは、レーザーを動作させるために太陽光を電気に変換することを避けることで、太陽電池でレーザーを動作させる場合よりもアプローチの効率が 3 倍高くなる、と主張しています。

「太陽研究と量子技術を結びつけている報告は他に見たことがありません」と、この研究には関与していないオックスフォード大学の物理学者イェン・フン・リンは言う。 「これにより、この未踏の方向への関心が火花を散らす可能性があり、エネルギー分野でさらに学際的な研究が行われる可能性があります。」

電場や圧力など、他のものに敏感な量子デバイスも太陽光駆動のアプローチから恩恵を受ける可能性がある、と研究者らは述べている。 特に、宇宙ベースの量子技術は、地球の大気圏外で利用できる強い太陽光を利用して、量子センサーに合わせた光を提供する可能性があります。 量子センサーが使用しない波長の残りの光は、量子信号を処理するために電子機器に電力を供給する太陽電池に割り当てられる可能性があります。

太陽光で駆動する磁力計は、量子技術と環境的に持続可能な技術の融合における第一歩にすぎません。 「現状では、このデバイスは主に開発目的です」とドゥ氏は言う。 「私たちはこれらのデバイスが実用的な目的で使用されることを期待しています。しかし、やるべきことはたくさんあります。」

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Y. Zhu et al. 太陽光による量子磁力測定。 Physical Review X Energy、印刷中、2022 年。

James Riordon はフリーランスのサイエンス ライターであり、『Ghost Particle – In Search of the Elusive and Mysterious Neutrino』という本の共著者です。

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