Fisica

Non più il regno della fantascienza, i sensori quantistici sono oggi utilizzati in applicazioni che vanno dalla misurazione del tempo e dal rilevamento delle onde gravitazionali alla magnetometria su scala nanometrica [1]. Quando realizzano nuovi sensori quantistici, la maggior parte dei ricercatori si concentra sulla creazione di dispositivi quanto più precisi possibile, il che in genere richiede l'uso di tecnologie avanzate e assetate di energia. Questo elevato consumo di energia può essere problematico per i sensori progettati per l’uso in luoghi remoti sulla Terra, nello spazio o nei sensori dell’Internet delle cose che non sono collegati alla rete elettrica. Per ridurre la dipendenza dei sensori quantistici da fonti energetiche esterne, Yunbin Zhu dell’Università di Scienza e Tecnologia della Cina e colleghi hanno ora dimostrato un sensore quantistico che sfrutta direttamente le fonti di energia rinnovabile per ottenere l’energia necessaria per funzionare [2]. Il nuovo dispositivo potrebbe ampliare l’uso dei sensori quantistici e contribuire a ridurre significativamente i costi energetici dei sensori quantistici nelle applicazioni esistenti.

Oggi le tecnologie quantistiche si trovano in gran parte nei laboratori di ricerca, che hanno un accesso praticamente illimitato all’energia. Un tipico dispositivo funziona a temperature criogeniche e richiede laser potenti, amplificatori di frequenza a microonde e generatori di forme d'onda. Un dispositivo del genere può consumare migliaia di watt e funziona 24 ore al giorno. Un modo per ridurre tali costi energetici è realizzare sensori da sistemi che non richiedono raffreddamento criogenico, come i difetti dei diamanti noti come centri di azoto vacante (NV). Tuttavia, tali sensori richiedono ancora un laser potente, che può facilmente consumare 100-1000 W, e un'alimentazione a microonde che necessita di circa 100 W. I ricercatori stanno anche lavorando sulla miniaturizzazione dei sensori, un processo che in genere riduce il consumo energetico. Ma le versioni attuali di questi sensori più piccoli continuano a ricevere energia dalla rete [3].

Zhu e colleghi adottano un approccio diverso sviluppando un sensore quantistico che genera la propria energia da una fonte di energia rinnovabile, in questo caso l'energia solare (Fig. 1). Il sensore del team è costituito da un insieme di centri NV nel diamante, una piattaforma di rilevamento quantistico a stato solido ben consolidata che può funzionare in un ampio intervallo di temperature (0-600 K), pressioni (fino a 40 GPa) e campi magnetici (0–12 T).

I centri di azoto vacanti sono difetti tipicamente creati impiantando ioni di azoto in un reticolo di diamante. I centri confinano i portatori di carica, come elettroni o lacune, creando uno stato elettronico localizzato. Gli utenti possono leggere la rotazione di questo stato eccitando il difetto con un laser. Il centro NV emette quindi radiazione, tramite fluorescenza, la cui intensità è correlata alla rotazione del sistema. I ricercatori in genere utilizzano un laser verde per questa eccitazione, poiché quel colore della luce produce la fluorescenza più forte nel sistema (la radiazione emessa è rossa).

Per l’uso in applicazioni quantistiche, i centri NV sono ideali perché funzionano a temperatura ambiente, quindi non è richiesto alcun apparato di raffreddamento. Richiedono tuttavia un laser per eccitare il centro NV. Richiedono anche un generatore di campo magnetico e un amplificatore di frequenza a microonde: la frequenza di fluorescenza del centro NV può essere divisa in due applicando un campo magnetico di polarizzazione, ed è possibile accedere ai due picchi di emissione risultanti facendo passare l'amplificatore a microonde attraverso queste frequenze. Le posizioni esatte di questi picchi codificano le informazioni su eventuali cambiamenti nel campo magnetico ambientale rispetto alla polarizzazione, nonché sui cambiamenti nella temperatura o nella deformazione del dispositivo.

Il dispositivo di Zhu e colleghi elimina sia il laser che l'amplificatore. Invece di usare la luce laser per eccitare il centro NV, i ricercatori usano la luce solare, filtrandola con un filtro passa banda ottico in modo che solo le lunghezze d’onda verdi incidano sul centro NV. Usano anche un cosiddetto concentratore di flusso fatto di ferro per amplificare il campo magnetico terrestre a circa 100-300 G. A queste intensità di campo magnetico, la struttura energetica dei centri NV consente il rilevamento completamente ottico dei cambiamenti nel campo magnetico ambientale semplicemente monitorando la luminosità della fluorescenza del dispositivo. Questa capacità consente al team di utilizzare un sensore senza un generatore di campo magnetico separato o un amplificatore di frequenza a microonde esterno separato.