Квантовая магнитометрия, управляемая солнечным светом

Аннотация

Перспективные технологии, такие как квантовые вычисления и прецизионные сенсоры, открывают новые возможности в области науки и техники. Хотя потребление энергоресурсов является серьезной проблемой для современной промышленности и общества, использование квантовых технологий для их сбережения редко принимается во внимание. В частности, потенциал питания напрямую от возобновляемых источников энергии долгое время игнорировался. Для инициализации, манипулирования и считывания квантовых систем обычно требуется оборудование с высоким энергопотреблением, такое как рефрижератор растворения, усилитель СВЧ–мощности и высокомощный лазер. В данной работе рассматривается способ использования солнечной энергии для управления квантовыми состояниями отрицательно заряженных азото–замещённых вакансий в алмазе, который является одной из самых многообещающих твердотельных квантовых систем за последние десятилетия. Следуя этому методу, демонстрируется квантовая магнитометрия, управляемая солнечным светом. Инициализация и считывание достигаются непосредственно с помощью солнечного света, а от СВЧ–воздействия можно избавиться с помощью схемы без высокочастотного излучения. Используя энергию окружающей среды напрямую, метод предлагает потенциальные решения проблемы энергопотребления благодаря квантовым технологиям. 

Введение

Датчики используют квантовые системы для измерения широкого диапазона физических величин. В области магнитометрии квантовые сенсоры, такие как сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство (СКВИД), атомный магнитометр, работающий в спин–обменном режиме без релаксации (SERF), и алмазный магнитометр на основе отрицательно заряженных азото–замещённых вакансий (N – V) демонстрируют высокую чувствительность. Однако вопрос потребления ими ресурсов, особенно энергии, редко принимается во внимание. Например, для инициализации и считывания квантовых состояний сенсоров обычно используется мощный лазер. Энергопотребление является препятствием на пути к практическому применению квантовых технологий. Кроме того, как никогда важно экономить энергию и находить новые способы использования возобновляемых источников энергии, в то время как глобальные проблемы, такие как изменение климата, серьезно возрастают.

В работе предполагается прямой путь использования солнечной энергии через центры N–V в алмазе с демонстрацией управляемой солнечным светом квантовой магнитометрии, основанной на зависящей от магнитного поля фотолюминесценции (ФЛ) квантовой системы. Центры N–V возбуждаются зеленой составляющей солнечного света. Измерение выполняется по схеме без использования микроволн, что позволяет избежать воздействия высоких частот. Поскольку геомагнитное поле усиливается концентраторами магнитного потока (КП), в установке нет ни постоянного магнита, ни электромагнита, которые обеспечивают дополнительное поле смещения. Квантовый датчик питается от солнечной энергии и работает без энергоемкого оборудования, такого как мощный лазер и мощный СВЧ–усилитель. Этот метод может обеспечить устойчивость квантовых технологий за счет прямого использования энергии окружающей среды.

Методы магнитометрии

Схема использования солнечной энергии показана на рисунке 1. Солнечный свет после поглощения и рассеяния атмосферой Земли находится в основном в диапазоне длин волн 300–1100 нм. С целью уменьшения фотоиндуцированной ионизации N–V центров применяются фильтры для накопления солнечного света с длинами волн в диапазоне 500–550 нм (рис. 1(a) и 1(b)). Свет в этом диапазоне можно использовать для управления состояниями электронных спинов в N–V центрах. При возбуждении они распадаются и излучают красное свечение (рис. 1(с)), интенсивность которого можно определить с помощью фотодетектора. Описанные выше фильтры также могут уменьшать фон от солнечного света в диапазоне длин волн флуоресценции. Как показано на рис. 1(d), интенсивность ФЛ связана с внешним магнитным полем B_dia и может использоваться для его обнаружения. Таким образом, демонстрируется управляемая солнечным светом квантовая магнитометрия.

Количественное измерение магнитного поля на основе N–V центров обычно производится с помощью оптического детектирования магнитного резонанса (ОДМР). Центр N–V в алмазе состоит из замещающего атома азота и вакансии на соседних узлах решетки с симметрией C_3v. Как показано на рисунке 1(c), основное электронное состояние N–V–центра представляет собой спиновое триплетное состояние ³A₂ с |m_s=0⟩, отделенным от |m_s=±1⟩ нулевым расщеплением поля DGS≈2.87 ГГц при комнатной температуре. При действии магнитного поля B_dia состояния |ms=±1⟩ испытывают зеемановское расщепление, и гамильтониан электронного спина основного состояния N–V может быть записан как

где h – постоянная Планка, μB – магнетон Бора, g ≈ 2.003 – g–фактор электрона. S=(S_x,S_y,S_z) – безразмерный оператор электронного спина–1, а направление z параллельно оси симметрии N–V.

Центр N–V можно оптически возбудить до состояния ³E, а переход между ними имеет бесфононную линию при 637 нм (Γ_p, рис. 1(c)). При оптическом возбуждении центр N–V может перейти в основное состояние за счет радиационного перехода с сохранением спина (Γ₀, рис. 1(c)), который генерирует красное свечение с длинами волн в диапазоне 637–800 нм. Существует безызлучательный альтернативный путь распада через синглетные состояния (¹A₁, ¹E), включающий межсистемное пересечение (МСП). Поскольку N–V–центр с большей вероятностью распадается по безызлучательному пути в состояниях |ms=±1⟩ (γ^e±≈7γ^e₀, рис. 1(c)), интенсивность флуоресценции |ms=0⟩ значительно выше, чем у состояний |ms=±1⟩. Резонансная СВЧ–манипуляция может обеспечить переход между |ms=0⟩ и одним из менее флуоресцентных состояний |ms=±1⟩. Для определенного направления B_dia напряженность магнитного поля B_dia=|B_dia| может быть получена путем наблюдения спектров ОДМР.

Рисунок 1. Схема магнитометрии, управляемой солнечным светом. (а) Схема использования солнечной энергии. Солнечный свет фильтруется и используется для возбуждения N–V центров. Интенсивность флуоресценции, испускаемой N–V–центрами, связана с магнитным полем B_dia на электронных спинах N–V–центров. (b) Измеренные спектры солнечного света с фильтрами и без них. Интенсивность излучения с длиной волны в диапазоне 380–760 нм составляет 527 Вт/м² (сплошная линия). После фильтрации интенсивность остаточного света с длинами волн в диапазоне 500–550 нм составляет 80,6 Вт/м² (пунктирная линия). (c) Структура энергетических уровней N–V центра. Центр N–V в основном состоянии можно довести до возбужденного состояния зеленым светом. Γ_p – скорость накачки. Излучательная релаксация приводит к красному свечению. Γ₀ – скорость релаксации. γ₀^e и γ^e_± – скорости релаксации из возбужденного состояния в состояниях |ms=0⟩ и |ms=±1⟩ в синглетные состояния соответственно. γ^e_± ≈ 7 γ₀^e. γ^g₀ и γ^g_± – скорости релаксации из синглетных состояний в основное в состояниях |ms=0⟩ и |ms=±1⟩ соответственно. γ^g_± ≈ γ^g₀.  (d) Смоделированная интенсивность фотолюминесценции. Интенсивность ФЛ уменьшается с увеличением B_dia. (e) Четыре ориентации центров N–V в алмазе.

При приложении магнитного поля, не совпадающего с осью симметрии N–V, поперечное магнитное поле приводит к смешиванию спиновых подуровней как в возбужденном, так и в состоянии покоя. Вероятность безызлучательного перехода с участием МСП увеличивается, что приводит к уменьшению ФЛ. Когда B_dia приложено вдоль кристаллической оси алмаза, B_dia смещается с четырьмя ориентациями осей симметрии, и ФЛ, излучаемая центрами N–V, уменьшается с увеличением напряженности магнитного поля (рис. 1(d)). Таким образом, вариации ФЛ можно использовать для измерения магнитного поля. Несмотря на то, что продемонстрирована схема без микроволнового излучения, для создания магнитного поля около 102.4 мТл обычно требуются дополнительные электромагниты или постоянные магниты. В данной работе КП используются для усиления геомагнитного поля, чтобы обеспечить эквивалентный эффект постоянных магнитов.

Эксперимент

Экспериментальная установка магнитометра, работающего от солнечного света, показана на рисунке 2(а). Линза Френеля диаметром 15 см используется для сбора солнечного света, а вогнутая линза для регулировки сфокусированного луча. После фильтрации свет фокусируется выпуклой линзой, освещая алмаз. При площади сбора линзы Френеля около 177 см² световая мощность около 1 Вт используется для возбуждения N–V центров с учетом затухания. Свет извлекается непосредственно из солнечных лучей, а потребляемая мощность обычного лазера для эквивалентной выходной световой мощности составляет около 100 Вт. Геомагнитное поле усиливается с помощью КП. Алмаз закреплен на составном параболическом концентраторе, собирающем флуоресценцию N–V центров. После того, как флуоресценция проходит через фильтр длинного пропускания 650 нм, она преобразуется в фототок через фотодетектор (ФД). Часть солнечного света собирается эталонным ФД для шумоподавления. После этого сигналы принимаются аналого–цифровым преобразователем (АЦП).

Рисунок 2. Представление магнитометрии, управляемой солнечным светом. (а) Настройка магнитометра. Солнечный свет собирается линзами и фильтруется для возбуждения N–V центров. Часть света, проходящего через алмаз, собирается эталонным фотодетектором для шумоподавления. (b) Измеренные магнитные сигналы магнитометра во временной области. (c) Магнитные АСП для сигналов во временной области.

Магнито-чувствительный спектр (черная линия) показывает пик калибровочного поля с частотой 7 Гц, а в магнито-нечувствительном спектре (красная линия) пик не виден. Магнито-чувствительный спектр показывает чувствительность 0.3 нТл/√Гц при 320 Гц. В области выше 300 Гц электронный шум (синяя линия) ограничивает чувствительность. Фотонный шум (фиолетовая пунктирная линия) около 0.03 нТл/√Гц намного меньше общего шума.

Сигналы во временной области при различных конфигурациях записываются с частотой дискретизации 2 кГц в течение 30 с, а затем преобразуются в спектральные плотности магнитной амплитуды (АСП). Шум для магнито-нечувствительной конфигурации (рис. 2(c) красная линия) достигается при напряженности поля смещения выше 100 мТл в алмазе. Частотная характеристика чувствительного элемента колеблется в диапазоне от 5 до 1000 Гц, и АСП калибруются соответствующим образом, показывая минимальный уровень шума и чувствительность магнитометра.

В данном случае оценивается шум и чувствительность магнитометра. Для частот от 1 до 300 Гц шум демонстрирует поведение, близкое к 1/f, что может быть вызвано колебаниями мощности солнечного света. Благодаря калибровке АЧХ спектр электронных шумов (рис. 2(c) синяя линия) демонстрирует возрастающую тенденцию выше 100 Гц, а электронный шум является основным источником шума выше 300 Гц. Его можно подавить, используя АЦП с низким уровнем шума. 

Обсуждение результатов

Направление и интенсивность получаемого солнечного света меняются со временем, и количественные измерения магнитометра нуждаются в помощи калибровочного поля. Положение сфокусированного светового пятна связано с направлением солнечного света. Систему слежения за солнцем можно использовать для корректировки светового пятна в соответствии с положением алмаза. 

Этот метод использования солнечной энергии может быть расширен до нескольких спин–систем. Согласно стандартному прямому (AM1.5d) эталонному солнечному спектру, который определен для систем солнечных концентраторов, солнечная энергия находится в широком диапазоне длин волн от 300 до 1100 нм. Когда бесфононная линия перехода в спиновой системе находится в этом диапазоне, солнечный свет можно использовать для управления состояниями спинов. Существует несколько систем, которые могут быть возбуждены солнечным светом, например, отрицательно заряженные центры вакансий кремния (V_Si) в карбиде кремния (SiC), отрицательно заряженные центры вакансий германия (Ge–V) в алмазе, и отрицательно заряженные центры вакансий кремния (Si–V) в алмазе. Кроме того, с этой схемой могут быть объединены другие неизученные потенциальные квантовые системы с аналогичными структурами энергетических уровней.

Продемонстрированный квантовый магнитометр может быть расширен в качестве автономных узлов датчика магнитного поля с автономным питанием, используемых в геомагнитных наблюдениях и для детектирования крайне низкочастотных (ELF, 0.1–300 Гц) сигналов. Ввиду отсутствия поглощения и рассеяния атмосферой в открытом космосе интенсивность солнечного света больше, чем на земле. Такой магнитометр с оптимизацией диапазона обнаружения имеет потенциал для применения в космосе. Оставшиеся компоненты солнечного света, за исключением тех, которые непосредственно используются для квантовых систем, могут быть собраны для питания традиционных электронных устройств и обработки сигналов сборщиками солнечной энергии в будущем.

Стоит отметить, что использование лазерного диода, питаемого от солнечных батарей, также может давать зеленый свет для возбуждения N–V центров. Однако эффективность предложенного метода в 3 раза выше, чем у этого метода, поскольку можно избежать потерь энергии за счет её преобразования. Эффективность определяется как отношение используемой мощности зеленого света к общей входной солнечной энергии. Таким образом, этот путь прямого использования возобновляемой энергии демонстрирует более высокую эффективность, чем традиционное лазерное возбуждение. Кроме того, метод демонстрирует потенциал в использовании возобновляемых источников энергии.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности
по поставке оборудования на территории РФ