Física

Ya no pertenecen al ámbito de la ciencia ficción, los sensores cuánticos se utilizan hoy en día en aplicaciones que van desde el cronometraje y la detección de ondas gravitacionales hasta la magnetometría a nanoescala [1]. Al fabricar nuevos sensores cuánticos, la mayoría de los investigadores se enfocan en crear dispositivos que sean lo más precisos posible, lo que generalmente requiere el uso de tecnologías avanzadas que consumen mucha energía. Este alto consumo de energía puede ser problemático para los sensores diseñados para su uso en ubicaciones remotas en la Tierra, en el espacio o en sensores de Internet de las cosas que no están conectados a la red eléctrica. Para reducir la dependencia de los sensores cuánticos de fuentes de energía externas, Yunbin Zhu de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China y sus colegas ahora demuestran un sensor cuántico que explota directamente las fuentes de energía renovables para obtener la energía que necesita para operar [2]. El nuevo dispositivo podría ampliar el uso de sensores cuánticos y ayudar a reducir significativamente los costos de energía de los sensores cuánticos en las aplicaciones existentes.

Hoy en día, las tecnologías cuánticas se encuentran en gran medida en los laboratorios de investigación, que tienen un acceso prácticamente ilimitado a la energía. Un dispositivo típico funciona a temperaturas criogénicas y requiere potentes láseres, amplificadores de frecuencia de microondas y generadores de formas de onda. Tal dispositivo puede consumir miles de vatios y funciona las 24 horas del día. Una forma de reducir esos costos de energía es fabricar sensores a partir de sistemas que no requieren enfriamiento criogénico, como los defectos de diamante conocidos como centros de vacantes de nitrógeno (NV). Sin embargo, estos sensores aún requieren un láser potente, que puede consumir fácilmente entre 100 y 1000 W, y un suministro de microondas que necesita alrededor de 100 W. Los investigadores también están trabajando en sensores miniaturizados, un proceso que generalmente reduce el consumo de energía. Pero las versiones actuales de estos sensores más pequeños aún obtienen su energía de la red [3].

Zhu y sus colegas adoptan un enfoque diferente al desarrollar un sensor cuántico que genera su propia energía a partir de una fuente de energía renovable, en este caso, la energía solar (Fig. 1). El sensor del equipo está hecho de un conjunto de centros NV en diamante, una plataforma de detección cuántica de estado sólido bien establecida que puede operar en una amplia gama de temperaturas (0–600 K), presiones (hasta 40 GPa) y campos magnéticos (0–12 T).

Los centros de vacantes de nitrógeno son defectos que normalmente se crean al implantar iones de nitrógeno en una red de diamante. Los centros confinan portadores de carga, como electrones o huecos, creando un estado electrónico localizado. Los usuarios pueden leer el giro de este estado excitando el defecto con un láser. El centro NV luego emite radiación, a través de la fluorescencia, cuya intensidad se correlaciona con el giro del sistema. Los investigadores suelen utilizar un láser verde para esta excitación, ya que ese color de luz produce la fluorescencia más intensa del sistema (la radiación emitida es roja).

Para su uso en aplicaciones cuánticas, los centros NV son ideales porque funcionan a temperatura ambiente, por lo que no se requiere ningún aparato de refrigeración. Sin embargo, requieren un láser para excitar el centro NV. También requieren un generador de campo magnético y un amplificador de frecuencia de microondas: la frecuencia de fluorescencia del centro NV se puede dividir en dos aplicando un campo magnético polarizado, y se puede acceder a los dos picos de emisión resultantes barriendo el amplificador de microondas a través de estas frecuencias. Las posiciones exactas de estos picos codifican información sobre cualquier cambio en el campo magnético ambiental con respecto a la polarización, así como cambios en la temperatura o tensión del dispositivo.

El dispositivo de Zhu y sus colegas elimina tanto el láser como el amplificador. En lugar de usar luz láser para excitar el centro NV, los investigadores usan luz solar, filtrándola con un filtro de paso de banda óptico para que solo las longitudes de onda verdes incidan en el centro NV. También usan un llamado concentrador de flujo hecho de hierro para amplificar el campo magnético de la Tierra a alrededor de 100 a 300 G. Con esas intensidades de campo magnético, la estructura de energía de los centros NV permite la detección totalmente óptica de cambios en el campo magnético ambiental. simplemente monitoreando el brillo de la fluorescencia del dispositivo. Esta capacidad permite al equipo ejecutar un sensor sin un generador de campo magnético separado o un amplificador de frecuencia de microondas externo separado.

El dispositivo del equipo requiere solo 0,1 W para funcionar; esa potencia es necesaria para hacer funcionar un fotodetector de bajo consumo de energía para la lectura de giro. Los investigadores muestran que pueden obtener una sensibilidad razonable para detectar cambios a nivel del suelo en el campo magnético de la Tierra inducidos, por ejemplo, por la presencia de líneas eléctricas o trenes cercanos. Esta sensibilidad (menos de 1 nT/raíz cuadrada (Hz)) está a la par con la alcanzada por el diamante que tiene las concentraciones naturales de isótopos de carbono; el diamante normalmente contiene dos isótopos, C12 y C13. Se han logrado sensibilidades más altas con diamantes isotópicamente puros cultivados en laboratorio, siendo la mejor alrededor de 1 pT/sqrt (Hz), un nivel adecuado para la detección de cambios en los campos magnéticos biológicos en el corazón o en los músculos esqueléticos. Imagino que podrían alcanzar ese nivel de sensibilidad aumentando la energía de la luz solar que ingresa al dispositivo o personalizando tanto el contenido isotópico del diamante como la concentración del centro NV.

Esta demostración es un primer paso para impulsar las tecnologías cuánticas directamente con energía renovable, eliminando la necesidad de que se conecten a una fuente de alimentación externa. Al hacerlo, Zhu y sus colegas muestran que su dispositivo tiene una eficiencia energética mucho mayor que los dispositivos similares conectados a la red.

Vadim Vorobyov estudió física en el Instituto de Física y Tecnología de Moscú y recibió su Ph.D. del Instituto de Física Lebedev de la Academia Rusa de Ciencias en 2017. Desde 2018 es científico investigador en la Universidad de Stuttgart, Alemania. Estudia defectos cuánticos de estado sólido y sus aplicaciones, con un enfoque en la detección cuántica y el procesamiento de información cuántica.

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

PRX Energía 1, 033002 (2022)

Publicado el 17 de octubre de 2022

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