原子传感器:仅由11个原子组成的传感器问世:能够实时捕获电磁波

2021/12/25 01:23 · 传感器知识资讯 ·  · 原子传感器:仅由11个原子组成的传感器问世:能够实时捕获电磁波已关闭评论
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原子传感器:仅由11个原子组成的传感器问世:能够实时捕获电磁波5月27日消息,据外媒报道,代尔夫特理工大学的研究人员开发了一种只有11个原子的传感器。该传感器能够捕获电磁波,由天线、读取功能、重置按钮和存储单元组成。研究人员希望使用他们的原子传感器来了解有关电磁波行为的更多信息,从而希望这种电磁波有一天可以用于绿色ICT

原子传感器:仅由11个原子组成的传感器问世:能够实时捕获电磁波

  5月27日消息,据外媒报道,代尔夫特理工大学的研究人员开发了一种只有11个原子的传感器。该传感器能够捕获电磁波,由天线、读取功能、重置按钮和存储单元组成。研究人员希望使用他们的原子传感器来了解有关电磁波行为的更多信息,从而希望这种电磁波有一天可以用于绿色ICT应用。
  从理论上讲,工程师可以通过改用自旋电子器件来提高电子数据处理的效率,这种技术不使用电信号,而是利用磁信号来传输数据。不幸的是,磁性往往变得异常复杂,尤其是在很小规模的计算机芯片上。一个电磁波可以看作是数以百万计的罗盘针在表演一个复杂的集体舞蹈。这些波不仅传播速度极快,导致它们仅在纳秒内消失,量子力学的微妙定律也允许它们同时在多个方向上传播,这使他们更加难以捉摸。
  为了研究这些快速振荡,代尔夫特理工大学的研究人员开发了一种仅由11个原子组成的微小装置。它配备有天线、读取功能、复位按钮和存储测量结果的存储单元。本发明的中心思想是设备立即检测通过的电磁波并记住该信息。
  研究领导者桑德·奥特(Sander Otte)解释说:“可将其与“老鼠陷阱”进行比较。老鼠通常太快又太小,无法用手捕获。但是“老鼠陷阱”的反应非常迅速又很强大固定,能将老鼠固定在适当的位置。”
  研究人员将该装置连接到电磁波通过的磁性原子线上,尽管测试线很短,但结果很有希望:波的移动非常特别,正如人们从量子力学中所期望的那样。下一步是将这项技术应用到更复杂的电路中,以便对自旋电子学的行为有更深入的了解。
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原子传感器:基于氮化硼的新型原子传感器研发成功

「本文来源:科技日报」
科技日报柏林8月9日电 (记者李山)近日,德国维尔茨堡大学的科学家领导的国际合作团队成功研发一种新型原子传感器。它基于氮化硼二维晶格中人工产生的自旋缺陷(量子位元),可以在没有任何电接触的情况下,测量温度、压力和磁场等环境变化。相关成果发表在《自然通讯》杂志上。
氮化硼六方晶相具有二维平面石墨烯状结构和原子级薄度,与其他二维晶体结构高度兼容。近年来,氮化硼的结构和电子性能引起了许多研究者的兴趣。德国维尔茨堡大学的弗拉基米尔·迪亚科诺夫教授领导的国际团队先是成功地在氮化硼的层状晶体中创造了自旋缺陷,并通过实验识别了它们;随后又成功实现了室温下六方氮化硼中硼空位中心集合体的相干控制,为具有全新特性的人造异质结构或在其上构建电子设备铺平了道路。
现在,这个包括澳大利亚悉尼科技大学和加拿大特伦特大学的科学家在内的国际团队取得了新的进展,成功研发基于氮化硼二维晶体自旋缺陷的新型原子传感器。该传感器的核心是氮化硼制成的晶格中人工产生的具有角动量(自旋)的硼缺陷。缺陷对其原子环境非常敏感,例如与其他原子或原子层的距离。迪亚科诺夫解释说,这意味着可以用它来测量局部磁场、温度甚至压力。测量可以完全通过激光进行,传感器不需要任何电接触。
氮化硼自旋缺陷的一个新特征是它位于二维晶格中。这开辟了全新的应用可能性。迪亚科诺夫说:“使用只有一个原子层的氮化硼层的想法特别有趣,这样传感器就直接位于要检查的组件的表面,这将实现与环境的直接交互。”氮化硼目前是封装新型2D组件(如纳米尺寸晶体管)的标准材料。科学家可以在经常使用的氮化硼材料中人工嵌入原子传感器,使得传感器可以直接测量各种组件上的温度、压力和磁场等影响。
论文第一作者,德国维尔茨堡大学的物理学博士生安德烈亚斯·戈特绍尔解释说:“通过巧妙地打开和关闭不同频率的微波,可以操纵自旋缺陷,从而可以得出不同的外部影响,如温度、压力和磁场。”目前为止,研究人员已经展示了传感器如何处理数百万个自旋缺陷的大型集合。接下来,他们将研究单个自旋缺陷如何作为传感器工作。
与现有的由金刚石或碳化硅制成的传感器相比,新型原子传感器不仅适用于温度和磁场的局部测量,还可以更加灵敏地对外部压力变化做出反应。其可能的应用领域包括医学、导航,需要电磁场非接触式测量的地方或信息技术中的成像。长远来看,它还可以用作商业传感器,并可能会彻底改变医学成像。
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原子传感器:美国量子导航取得突破,有望取代GPS

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量子科学近数十年一直是美国国防部优先研究项目,桑迪亚国家实验室研究团队近期的量子传感器开发取得重要突破,有望取代GPS,成为不需靠外在电子信号即可定位导航的最新技术。

量子导航透过超冷原子干涉仪(Atom Interferometry)技术,将原子冷却至极度接近摄氏零下273.15 度的绝对零度,再透过激光光照,达成量子叠加状态(Quantum Superposition)。每个原子会同时呈现移动和停滞两种状态,各种状态会对不同外力产生反应,包括重力和加速,使用这种技术距离测量,将比现有GPS 技术精准的多,且不需依赖卫星信号。
之前各方尝试开发的量子传感器原型,都需大量能源极复杂的机械结构才能运作,例如原子陀螺仪(Atom Gyroscope)和原子加速器(Atom Accelerometer),都需要巨大真空腔体(Vaccum Chamber)抽离分子。
近期桑迪亚国家研究室(Sandia National Laboratories)团队成功运用硅酸铝、氧化铝等化学原料,大幅降低真空腔体的体积,让新型量子传感器体积和能耗缩小到实用规模。研究团队7 月论文指出,新材质可让量子传感器有实用尺寸和能耗,更可持续运作超过200 天。
耐用度方面,团队也测试新型传感器一年半,皆未出现故障,因此这项技术未来对军民两用定位导航有全新应用。
量子传感器除了不需依靠卫星信号运作,不论何种地形,海上、水下甚至地底都能精确定位,新型真空腔体材质甚至对量子电脑研发预期也会有突破性发展。
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原子传感器:荷兰代尔夫特理工大学开发出11个原子传感器,照亮了量子世界

智能手机里包含许多传感器,然而与荷兰代尔夫特理工大学Kavli纳米科学研究所的成员Sander Otte开发的11个原子的传感器相比,这些硅片就看起来非常巨大。虽然该传感器仅由几个原子组成,但它包含了商业等效产品中的所有功能。这包括一个传感元件、存储器、数据读出和一个 "复位按钮",使它能够进行另一次测量(通信物理学,"原子尺度自旋动力学的远程检测和记录")。

Otte逐个原子建立了传感器,以测量单个磁子(一种磁能的量子粒子)的快速脉冲,因为它在只有一个原子厚的短线上奔跑。

他通过将八个铁原子的磁旋耦合在一起来制造传感器元件,磁旋是亚原子粒子的一种量子特性,决定了原子的磁矩(其强度和方向)。一旦自旋被耦合,并且时刻对齐,八个原子就会作为一个单元进行。

Otte解释说:“我们想表明,我们实际上可以用单个原子构建一个装置,该装置被设计成使自旋集体做一些有用的事情。”

该装置的尺寸接近于材料从量子行为到经典特性的脆弱过渡点。物理学家对这一模糊区域知之甚少,这让Otte非常着迷。

使用扫描隧道显微镜记录的探测器装置(虚线矩形内)的显微镜图像,连接到由九个磁性原子组成的导线上。(图片:代尔夫特理工大学奥特实验室)

操纵原子

30年前,IBM的物理学家们开发出了一种利用扫描隧道显微镜(STM)产生的电场将单个原子从一个位置铲到另一个位置的方法。奥特还记得,他看到一张氙原子排列拼成 "IBM "的图像,心想:"这就是我想做的事情。"

到了2000年代初,作为一名研究生,他就在做这件事。不过,奥特专注于具有内在磁性的原子,比如钴和铁。虽然研究人员可以用STM尖端的单原子在这些原子周围推来推去,但他们没有办法测量它们的磁性。

Otte修改了一个STM,就是为了做到这一点。这使他能够测量自旋。在他获得博士学位后,Otte花了15年时间学习如何操纵这些自旋。

"我们了解到,如果你把一个原子放在一个特定的环境中,它就会有一定的磁性强度和激发能量,并有一个优先的方向。"他说,"如果你把一个原子停在它旁边,耦合强度会根据距离而改变。

"慢慢地,我们扩大了我们的自旋系统与耦合磁场的工具箱。我们会把两个原子放在一起,然后添加第三个原子。我们会从铁原子开始,然后添加锰原子。慢慢地,我们学会了如何创造原子结构,使其表现出我们想要的行为方式。"

最终,他准备用这个工具箱来制造一些东西。

传感器

他很快就发现了一个原子大小的装置可以解决的问题。当磁性材料被激发时,其磁矩开始波动。这种波动像波浪一样在材料中移动,最终释放出被称为磁子的量子粒子,磁能的单位类似于光子,是光的单位。

马格尼子以巨大的速度移动,但很快就会消散。直接测量它们的唯一方法是用足够小的东西与经过的磁子相互作用。这就需要一个原子尺度的传感器。

从概念上讲,奥特的装置很简单。Otte用STM的尖端激发磁性材料。这就产生了一个磁子,它沿着一条9个原子长的 "线 "跑到传感器上,当磁子通过传感器时,传感器就像捕鼠器一样卡住。当他把STP尖端在上面移动时,就可以读出它是否已经跳闸。

这个装置有四个部分。第一个是八原子传感器。它由一排铁原子组成,这些铁原子的自旋,可以是向上的,也可以是向下的,它们以向上-向下-向上-向下的配置耦合在一起。当磁子击中第一个原子时,它的自旋就会翻转到向下的位置。这种变化又使下一个原子的自旋翻转到 "上 "的位置。这就改变了下一个原子,以此类推,直到八个铁原子全部翻转。

八个铁原子的作用就像一个记忆。它们保持新的自旋位置几秒钟,足够STM在上面移动并读取结果的时间。

最后,该装置还有三个原子作为复位按钮。它们位于传感器离磁子源最远的一侧。当Otte用STM通电复位时,他会产生一个磁场,将传感器的旋转翻转回原来的位置。

构成传感器元件的八个原子正好处于量子世界与经典物理学的边缘。它们小到足以通过翻转对量子马格农粒子做出反应,但大到足以在将STM尖端移过它们并进行读数的几秒钟内保持稳定。

然而量子世界一直在戳着那个传感器。虽然Otte在接近绝对零度的情况下运行实验,以尽量减少随机能量,但每隔一段时间,随机的量子跳跃还是会让他的传感器翻转。

"如果我们再增加两个原子,这样你就得到了10个原子,它的稳定性将增加一个数量级,"他说。"然而,在4个原子时,我们已经深入到量子体制中了。在12个原子时,我们深陷在经典体制中。所以这是介于两者之间的东西。"

奥特希望能了解更多。他说自旋是最简单的量子系统。

"如果我们能够控制它们,我们就拥有了最基本的量子构件,然后你可以构建任何东西,"他说。"这就是为什么我对自旋如此着迷,因为它是几乎所有其他种类的量子力学的原型。"

他的传感器位于那个世界的边缘,只是探测这个世界的一个开始。

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