La physique

N'étant plus du domaine de la science-fiction, les capteurs quantiques sont aujourd'hui utilisés dans des applications allant du chronométrage et de la détection des ondes gravitationnelles à la magnétométrie à l'échelle nanométrique [1]. Lors de la fabrication de nouveaux capteurs quantiques, la plupart des chercheurs se concentrent sur la création d'appareils aussi précis que possible, ce qui nécessite généralement l'utilisation de technologies avancées gourmandes en énergie. Cette consommation d'énergie élevée peut être problématique pour les capteurs conçus pour être utilisés dans des endroits éloignés sur Terre, dans l'espace ou dans les capteurs de l'Internet des objets qui ne sont pas connectés au réseau électrique. Pour réduire la dépendance des capteurs quantiques aux sources d'énergie externes, Yunbin Zhu de l'Université des sciences et technologies de Chine et ses collègues font maintenant la démonstration d'un capteur quantique qui exploite directement les sources d'énergie renouvelables pour obtenir l'énergie dont il a besoin pour fonctionner [2]. Le nouveau dispositif pourrait élargir l'utilisation des capteurs quantiques et aider à réduire considérablement les coûts énergétiques des capteurs quantiques dans les applications existantes.

Aujourd'hui, les technologies quantiques se retrouvent en grande partie dans les laboratoires de recherche, qui ont un accès quasi illimité à l'énergie. Un appareil typique fonctionne à des températures cryogéniques et nécessite des lasers puissants, des amplificateurs hyperfréquences et des générateurs de formes d'onde. Un tel appareil peut consommer des milliers de watts et fonctionne 24 heures sur 24. Une façon de réduire ces coûts énergétiques consiste à fabriquer des capteurs à partir de systèmes qui ne nécessitent pas de refroidissement cryogénique, tels que les défauts de diamant connus sous le nom de centres de lacune d'azote (NV). Cependant, de tels capteurs nécessitent toujours un laser puissant, qui peut facilement consommer 100 à 1000 W, et une alimentation en micro-ondes qui nécessite environ 100 W. Les chercheurs travaillent également sur la miniaturisation des capteurs, un processus qui réduit généralement la consommation d'énergie. Mais les versions actuelles de ces capteurs plus petits sont toujours alimentées par le réseau [3].

Zhu et ses collègues adoptent une approche différente en développant un capteur quantique qui génère sa propre énergie à partir d'une source d'énergie renouvelable, dans ce cas l'énergie solaire (Fig. 1). Le capteur de l'équipe est composé d'un ensemble de centres NV en diamant, une plate-forme de détection quantique à l'état solide bien établie qui peut fonctionner sur une large gamme de températures (0 à 600 K), de pressions (jusqu'à 40 GPa) et champs magnétiques (0–12 T).

Les centres de lacune d'azote sont des défauts qui sont généralement créés en implantant des ions d'azote dans un réseau de diamant. Les centres confinent les porteurs de charge, tels que les électrons ou les trous, créant un état électronique localisé. Les utilisateurs peuvent lire le spin de cet état en excitant le défaut avec un laser. Le centre NV émet alors un rayonnement, par fluorescence, dont l'intensité est corrélée au spin du système. Les chercheurs utilisent généralement un laser vert pour cette excitation, car cette couleur de lumière produit la plus forte fluorescence du système (le rayonnement émis est rouge).

Pour une utilisation dans des applications quantiques, les centres NV sont idéaux car ils fonctionnent à température ambiante, aucun appareil de refroidissement n'est donc nécessaire. Ils nécessitent cependant un laser pour exciter le centre NV. Ils nécessitent également un générateur de champ magnétique et un amplificateur hyperfréquence : la fréquence de fluorescence du centre NV peut être divisée en deux en appliquant un champ magnétique de polarisation, et les deux pics d'émission résultants sont accessibles en balayant l'amplificateur hyperfréquence à travers ces fréquences. Les positions exactes de ces pics codent des informations sur tout changement du champ magnétique ambiant par rapport à la polarisation ainsi que sur les changements de température ou de contrainte de l'appareil.

L'appareil de Zhu et ses collègues supprime à la fois le laser et l'amplificateur. Plutôt que d'utiliser la lumière laser pour exciter le centre NV, les chercheurs utilisent la lumière du soleil, la filtrant avec un filtre passe-bande optique afin que seules les longueurs d'onde vertes soient incidentes sur le centre NV. Ils utilisent également un soi-disant concentrateur de flux en fer pour amplifier le champ magnétique terrestre à environ 100-300 G. À ces intensités de champ magnétique, la structure énergétique des centres NV permet une détection tout optique des changements dans le champ magnétique ambiant. simplement en surveillant la luminosité de la fluorescence de l'appareil. Cette capacité permet à l'équipe de faire fonctionner un capteur sans générateur de champ magnétique séparé ni amplificateur de fréquence micro-ondes externe séparé.

L'appareil de l'équipe ne nécessite que 0,1 W pour fonctionner - cette puissance est nécessaire pour faire fonctionner un photodétecteur à faible consommation d'énergie pour la lecture du spin. Les chercheurs montrent qu'ils peuvent obtenir une sensibilité raisonnable pour détecter les changements au niveau du sol du champ magnétique terrestre induits, par exemple, par la présence de lignes électriques ou de trains à proximité. Cette sensibilité - inférieure à 1 nT/sqrt (Hz) - est comparable à celle obtenue pour le diamant qui a les concentrations naturelles d'isotopes de carbone - le diamant contient généralement deux isotopes, C12 et C13. Des sensibilités plus élevées ont été obtenues avec du diamant isotopiquement pur, cultivé en laboratoire, le meilleur étant d'environ 1 pT/sqrt (Hz) - un niveau adapté à la détection des changements dans les champs magnétiques biologiques dans le cœur ou dans les muscles squelettiques. J'imagine qu'ils pourraient atteindre un tel niveau de sensibilité en augmentant l'énergie de la lumière solaire qui pénètre dans l'appareil ou en personnalisant à la fois le contenu isotopique du diamant et la concentration du centre NV.

Cette démonstration est une première étape vers l'alimentation directe des technologies quantiques avec de l'énergie renouvelable, éliminant ainsi la nécessité pour elles de se connecter à une source d'alimentation externe. Ce faisant, Zhu et ses collègues montrent que leur appareil a une efficacité énergétique beaucoup plus élevée que les appareils similaires connectés au réseau.

Vadim Vorobyov a étudié la physique à l'Institut de physique et de technologie de Moscou et a obtenu son doctorat. de l'Institut de physique Lebedev de l'Académie russe des sciences en 2017. Depuis 2018, il est chercheur à l'Université de Stuttgart, en Allemagne. Il étudie les défauts quantiques à l'état solide et leurs applications, en mettant l'accent sur la détection quantique et le traitement de l'information quantique.

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

PRX Énergie 1, 033002 (2022)

Publié le 17 octobre 2022

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