Física

Não mais o reino da ficção científica, os sensores quânticos são usados ​​hoje em aplicações que vão desde a cronometragem e detecção de ondas gravitacionais até a magnetometria em nanoescala [1]. Ao fabricar novos sensores quânticos, a maioria dos pesquisadores se concentra na criação de dispositivos o mais precisos possível, o que normalmente requer o uso de tecnologias avançadas que consomem muita energia. Esse alto consumo de energia pode ser problemático para sensores projetados para uso em locais remotos na Terra, no espaço ou em sensores da Internet das Coisas que não estão conectados à rede elétrica. Para reduzir a dependência de sensores quânticos em fontes de energia externas, Yunbin Zhu, da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, e colegas agora demonstram um sensor quântico que explora diretamente fontes de energia renováveis ​​para obter a energia necessária para operar [2]. O novo dispositivo pode ampliar o uso de sensores quânticos, bem como ajudar a reduzir significativamente os custos de energia de sensores quânticos em aplicações existentes.

Hoje, as tecnologias quânticas são amplamente encontradas em laboratórios de pesquisa, que têm acesso virtualmente ilimitado à energia. Um dispositivo típico opera em temperaturas criogênicas e requer lasers potentes, amplificadores de frequência de micro-ondas e geradores de forma de onda. Tal dispositivo pode consumir milhares de watts e funciona 24 horas por dia. Uma maneira de reduzir esses custos de energia é fabricar sensores de sistemas que não requerem resfriamento criogênico, como defeitos de diamante conhecidos como centros de vacância de nitrogênio (NV). No entanto, esses sensores ainda requerem um laser poderoso, que pode facilmente consumir de 100 a 1.000 W, e uma fonte de micro-ondas que precisa de cerca de 100 W. Os pesquisadores também estão trabalhando na miniaturização dos sensores, um processo que normalmente reduz o consumo de energia. Mas as versões atuais desses sensores menores ainda obtêm sua energia da rede [3].

Zhu e seus colegas adotam uma abordagem diferente ao desenvolver um sensor quântico que gera sua própria energia a partir de uma fonte de energia renovável, neste caso a energia solar (Fig. 1). O sensor da equipe é feito de um conjunto de centros NV em diamante, uma plataforma de detecção quântica de estado sólido bem estabelecida que pode operar em uma ampla faixa de temperaturas (0–600 K), pressões (até 40 GPa) e campos magnéticos (0–12 T).

Os centros de vacância de nitrogênio são defeitos normalmente criados pela implantação de íons de nitrogênio em uma rede de diamante. Os centros confinam portadores de carga – como elétrons ou lacunas – criando um estado eletrônico localizado. Os usuários podem ler o giro desse estado excitando o defeito com um laser. O centro NV então emite radiação, via fluorescência, cuja intensidade se correlaciona com o spin do sistema. Os pesquisadores normalmente usam um laser verde para essa excitação, pois essa cor de luz produz a fluorescência mais forte do sistema (a radiação emitida é vermelha).

Para uso em aplicações quânticas, os centros NV são ideais porque operam em temperatura ambiente, portanto, nenhum aparelho de resfriamento é necessário. No entanto, eles requerem um laser para excitar o centro NV. Eles também requerem um gerador de campo magnético e um amplificador de frequência de microondas: a frequência de fluorescência do centro NV pode ser dividida em duas aplicando um campo magnético de polarização, e os dois picos de emissão resultantes podem ser acessados ​​varrendo o amplificador de microondas por essas frequências. As posições exatas desses picos codificam informações sobre quaisquer alterações no campo magnético ambiente em relação ao viés, bem como alterações na temperatura ou tensão do dispositivo.

O dispositivo de Zhu e seus colegas elimina o laser e o amplificador. Em vez de usar a luz do laser para excitar o centro NV, os pesquisadores usam a luz solar, filtrando-a com um filtro óptico de passagem de banda, de modo que apenas comprimentos de onda verdes incidam no centro NV. Eles também usam o chamado concentrador de fluxo feito de ferro para amplificar o campo magnético da Terra para cerca de 100–300 G. Nessas intensidades de campo magnético, a estrutura de energia dos centros NV permite a detecção totalmente óptica de mudanças no campo magnético ambiente apenas monitorando o brilho da fluorescência do aparelho. Essa capacidade permite que a equipe execute um sensor sem um gerador de campo magnético separado ou um amplificador de frequência de micro-ondas externo separado.