مستشعر الكم الصديق للبيئة

مستشعر الكم الصديق للبيئة
مستشعر الكم الصديق للبيئة

أظهر الباحثون بنجاح جهاز استشعار كمي يمكنه العمل مع المجال المغناطيسي المحيط وضوء الشمس ؛ يمكن أن يساعد ذلك في تقليل تكاليف الطاقة المرتبطة بهذا الجهاز الذي يستهلك الطاقة.

اليوم ، تُستخدم أجهزة الاستشعار الكمومية في مجالات مختلفة مثل القياس المغناطيسي النانوي ، واكتشاف موجات الجاذبية وقياس الوقت. يهدف معظم الباحثين إلى بناء أكثر أجهزة الاستشعار الكمومية حساسية ممكنة ، والتي تتطلب غالبًا استخدام تقنيات متطورة مستهلكة للطاقة. يمكن أن يكون هذا الاستهلاك العالي للطاقة مشكلة بالنسبة لأجهزة الاستشعار المعدة للاستخدام في المناطق النائية من الأرض ، أو في الفضاء ، أو في مستشعرات إنترنت الأشياء خارج الشبكة. أظهر Yunbin Zhu من جامعة الصين للعلوم والتكنولوجيا وزملاؤه جهاز استشعار كمي يستخدم بشكل مباشر مصادر الطاقة المتجددة للحصول على الطاقة التي يحتاجها للعمل ، مما يقلل من الحاجة إلى مصادر الطاقة الخارجية لأجهزة الاستشعار الكمومية.

يمكن لهذا الجهاز الجديد أن يقلل بشكل كبير من تكاليف الطاقة لأجهزة الاستشعار الكمومية في التطبيقات الحالية ويوسع استخدام أجهزة الاستشعار الكمومية.

اليوم ، يتم اكتشاف معظم تقنيات الكم في المعامل البحثية التي تتمتع بوصول غير محدود تقريبًا إلى الطاقة. هناك حاجة إلى أشعة الليزر القوية ومضخمات تردد الموجات الدقيقة ومولدات شكل الموجة حتى يعمل الجهاز التقليدي في درجات حرارة شديدة البرودة. يمكن لجهاز مثل هذا أن يستخدم آلاف الواط ويعمل بشكل مستمر. يعد صنع المستشعرات من الأنظمة التي لا تتطلب تبريدًا مبردًا ، مثل مراكز فجوة النيتروجين (NV) ذات العيوب الماسية ، إحدى طرق تقليل تكاليف الطاقة هذه. لا تزال هذه المستشعرات تتطلب ليزرًا قويًا يمكنه استخدام 100-1000 واط ومصدر ميكروويف يتطلب حوالي 100 واط.

يعد تصغير المستشعرات ، وهو إجراء يقلل عادةً من استهلاك الطاقة ، مجالًا آخر للبحث. لكن أحدث التكرارات لهذه المستشعرات الصغيرة تستمر في استخدام الشبكة للطاقة.

يتخذ Zhu وزملاؤه استراتيجية مختلفة من خلال إنشاء جهاز استشعار كمي يولد الكهرباء الخاصة به من مصدر طاقة متجددة (في هذه الحالة ، الطاقة الشمسية).

تم بناء مستشعر الفريق من مجموعة من مراكز NV في الألماس ، وهي تقنية استشعار كمية الحالة الصلبة المعروفة والتي يمكن أن تعمل في مجموعة متنوعة من الظروف ، بما في ذلك الضغوط العالية (حتى 40 جيجا باسكال) ، ودرجات الحرارة المنخفضة (0-600 كلفن) ) ، والمجالات المغناطيسية (0-12 T). غالبًا ما يتم حقن أيونات النيتروجين في شعرية الماس لإنتاج مراكز شغور النيتروجين ، وهي عيوب. يتم إنتاج حالة إلكترونية محدودة بواسطة المراكز التي تحبس ناقلات الشحن مثل الإلكترونات أو الثقوب.

عن طريق تحفيز العيب بالليزر ، يمكن للمستخدمين قراءة دوران هذه الحالة. بعد ذلك ، يتألق مركز NV ، وينتج إشعاعًا ترتبط قوته بدوران النظام. نظرًا لأن الليزر الأخضر يحتوي على أكبر تألق في النظام ، فغالبًا ما يستخدمه العلماء لهذه الإثارة.

نظرًا لأن مراكز NV تعمل في درجة حرارة الغرفة ولا تحتاج إلى نظام تبريد ، فهي مثالية للاستخدام في التطبيقات الكمية. ومع ذلك ، فهم بحاجة إلى ليزر لإثارة نواة NV. يمكن تقسيم تردد التألق لمركز NV عن طريق إضافة مجال مغناطيسي متحيز ، ويمكن الوصول إلى ذروتي الانبعاث الناتج عن طريق كنس مضخم الميكروويف فوق هذه الترددات. يحتاجون أيضًا إلى مولد مجال مغناطيسي ومضخم تردد الميكروويف. توفر هذه القمم معلومات حول تغيرات درجة الحرارة والتوتر في الجهاز ، بالإضافة إلى أي تغييرات في المجال المغناطيسي المحيط بالنسبة لجهد التحيز.

تقضي التكنولوجيا التي طورها Zhu وزملاؤه على كل من الليزر ومكبر الصوت. يقوم الباحثون بتصفية ضوء الشمس باستخدام مرشح تمرير النطاق البصري بحيث تأتي الأطوال الموجية الخضراء فقط بدلاً من ضوء الليزر لتنشيط مركز NV.

يستخدمون أيضًا جهازًا حديديًا يُعرف باسم مُكثّف التدفق لزيادة المجال المغناطيسي للأرض إلى 100 إلى 300 جيغا بايت. تسمح طبيعة الطاقة لمراكز NV عند نقاط قوة مجال مغناطيسي معينة بالكشف البصري البحت عن التغيرات في المجال المغناطيسي المحيط بمجرد مراقبة شدة التألق للجهاز. باستخدام هذه الميزة ، يمكن للفريق تشغيل جهاز استشعار دون الحاجة إلى مولد مجال مغناطيسي إضافي أو مضخم تردد ميكروويف خارجي.

يحتاج جهاز الفريق إلى 0,1 واط فقط للتشغيل ، وهو ما يكفي لتشغيل جهاز كشف ضوئي باستهلاك منخفض للطاقة لقراءة الدوران. أظهر الباحثون أنهم قادرون على اكتشاف التغيرات الدقيقة الملحوظة في المجال المغناطيسي للأرض في مستوى الأرض ، والناجمة ، على سبيل المثال ، عن وجود خطوط كهرباء أو قطارات قريبة.

هذه الحساسية أقل من 1 nT / sqrt (Hz) ، مقارنة بحساسية الماس ، الذي يحتوي عادةً على كميات طبيعية من نظيري الكربون C12 و C13. يتم تحقيق حساسية أعلى مع الماس النقي النظائري المزروع في المختبر ؛ الأفضل هو في حدود 1 قرش / مربع (هرتز) ، وهو مناسب للكشف عن التغيرات في المجالات المغناطيسية البيولوجية في عضلات القلب أو الهيكل العظمي. أعتقد أنهم يستطيعون تحقيق هذا المستوى من الدقة عن طريق زيادة كمية ضوء الشمس التي تخترق الأداة ، أو عن طريق تعديل تركيب نظائر الماس وتركيز مراكز NV.

تمثل هذه التجربة الخطوة الأولى نحو تغذية تقنية الكم مباشرة بالطاقة المتجددة ، مما يلغي الحاجة إلى مصدر طاقة خارجي. من خلال القيام بذلك ، أظهر Zhu وزملاؤه أن أجهزتهم أكثر كفاءة في استخدام الطاقة من الأجهزة المماثلة المتصلة بالشبكة.

المصدر: physics.aps.org/

 

 

 

Günceleme: 19/10/2022 21:25

إعلانات مماثلة

كن أول من يعلق

Yorumunuz