햇빛으로 작동하는 친환경 양자 센서

자기장을 측정하는 태양광 구동 양자 장치의 핵심인 다이아몬드 센서를 통해 빛이 빛납니다.

주윤빈/중국과학기술대학교

제임스 R. 리오든

2022년 9월 19일 오전 7시

양자 기술이 친환경으로 변하고 있습니다.

고감도 자기장 센서에 대한 새로운 해석은 이전 장치가 측정을 위해 의존했던 전력 소모가 많은 레이저를 버리고 햇빛으로 대체합니다. 레이저는 밝은 전구를 계속 켜는 것과 같이 100와트 정도의 전력을 소비할 수 있습니다. 혁신은 잠재적으로 에너지 수요로부터 양자 센서를 분리합니다. 그 결과는 기술의 최전선에 있는 환경 친화적인 프로토타입이라고 연구자들은 곧 발행될 Physical Review X Energy에서 보고했습니다.

가장 큰 변화는 장치가 햇빛을 사용하는 방식에 있습니다. 빛을 전기로 변환하기 위해 태양전지를 사용하지 않습니다. 대신, 햇빛은 레이저 빛의 역할을 한다고 허페이에 있는 중국 과학 기술 대학교의 물리학자인 Jiangfeng Du는 말합니다.

양자 자력계에는 자기장을 측정하기 위한 강력한 녹색 레이저가 포함되는 경우가 많습니다. 레이저는 원자 결함이 포함된 다이아몬드에 빛납니다(SN: 2008년 2월 26일). 순수한 다이아몬드를 구성하는 탄소 원자 중 일부가 질소 원자로 대체되면 결함이 발생합니다. 녹색 레이저는 질소 결함에 형광을 발생시켜 주변 자기장의 강도에 따라 강도가 달라지는 빨간색 빛을 방출합니다.

새로운 양자 센서에도 녹색광이 필요합니다. 나무 잎과 풀에서 반사되는 녹색 파장에서 볼 수 있듯이 햇빛에는 그러한 빛이 많이 있습니다. Du와 동료들은 자력계를 작동하기에 충분한 양을 수집하기 위해 레이저를 직경 15cm의 렌즈로 교체하여 햇빛을 모았습니다. 그런 다음 빛을 필터링하여 녹색을 제외한 모든 색상을 제거하고 질소 원자 결함이 있는 다이아몬드에 초점을 맞췄습니다. 그 결과 레이저가 장착된 자력계와 마찬가지로 자기장의 강도를 나타내는 빨간색 형광이 생성됩니다.

태양전지가 빛을 모아 전기를 생산할 때처럼 에너지를 한 유형에서 다른 유형으로 바꾸는 것은 본질적으로 비효율적인 과정입니다(SN: 7/26/17). 연구원들은 레이저를 작동하기 위해 햇빛을 전기로 변환하는 것을 피하는 것이 레이저에 전력을 공급하는 태양 전지를 사용하여 가능한 것보다 접근 방식이 3배 더 효율적이라고 주장합니다.

이번 연구에는 참여하지 않았지만 옥스퍼드 대학의 물리학자인 린옌훙(Yen-Hung Lin)은 “태양 연구와 양자 기술을 연결하는 다른 보고서를 본 적이 없다”고 말했다. "이 미개척 방향에 대한 관심이 촉발될 수 있으며, 에너지 분야에서 더 많은 학제간 연구가 이루어질 수 있습니다."

연구원들은 전기장이나 압력과 같은 다른 것들에 민감한 양자 장치도 햇빛 기반 접근 방식의 이점을 누릴 수 있다고 말합니다. 특히, 우주 기반 양자 기술은 지구 대기 외부에서 이용 가능한 강렬한 햇빛을 사용하여 양자 센서에 맞는 빛을 제공할 수 있습니다. 양자 센서가 사용하지 않는 파장의 나머지 빛은 양자 신호를 처리하기 위해 전자 장치에 전력을 공급하는 태양 전지로 보내질 수 있습니다.

태양광 구동 자력계는 양자 기술과 환경적으로 지속 가능한 기술을 융합하는 첫 번째 단계에 불과합니다. "현재 상태에서 이 장치는 주로 개발 목적으로 사용됩니다"라고 Du는 말합니다. "우리는 이 장치가 실용적인 목적으로 사용될 것으로 기대합니다. 하지만 아직 해야 할 일이 많습니다."

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Y. Zhu et al. 햇빛을 이용한 양자자기측정법. Physical Review X Energy, 언론 보도, 2022년.

James Riordon은 프리랜서 과학 작가이자 Ghost Particle – In Search of the Elusive and Mysterious Neutrino라는 책의 공동 저자입니다.

우리의 임무는 대중에게 정확하고 흥미로운 과학 뉴스를 제공하는 것입니다. 그 사명이 오늘날보다 더 중요한 적은 없었습니다.