Dieser umweltfreundliche Quantensensor wird mit Sonnenlicht betrieben

Licht scheint durch einen Diamantsensor, der das Herzstück eines sonnenlichtbetriebenen Quantengeräts ist, das Magnetfelder misst.

Yunbin Zhu/Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas

Von James R. Riordon

19. September 2022 um 7:00 Uhr

Quantentechnologie wird grün.

Eine neue Version hochempfindlicher Magnetfeldsensoren ersetzt die energiehungrigen Laser, auf die frühere Geräte für ihre Messungen angewiesen waren, durch Sonnenlicht. Laser können etwa 100 Watt Leistung verschlingen – als würde man eine helle Glühbirne brennen lassen. Die Innovation entbindet Quantensensoren möglicherweise von diesem Energiebedarf. Das Ergebnis ist ein umweltfreundlicher Prototyp auf dem neuesten Stand der Technik, berichten Forscher in einer kommenden Ausgabe von Physical Review X Energy.

Die große Wendung liegt in der Art und Weise, wie das Gerät Sonnenlicht nutzt. Es verwendet keine Solarzellen, um Licht in Strom umzuwandeln. Stattdessen übernimmt das Sonnenlicht die Aufgabe des Laserlichts, sagt Jiangfeng Du, Physiker an der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas in Hefei.

Quantenmagnetometer enthalten häufig einen leistungsstarken grünen Laser zur Messung von Magnetfeldern. Der Laser scheint auf einen Diamanten, der atomare Defekte enthält (SN: 26.02.08). Die Defekte entstehen, wenn Stickstoffatome einige der Kohlenstoffatome ersetzen, aus denen reine Diamanten bestehen. Der grüne Laser lässt die Stickstoffdefekte fluoreszieren und sendet rotes Licht aus, dessen Intensität von der Stärke der umgebenden Magnetfelder abhängt.

Auch der neue Quantensensor braucht grünes Licht. Davon gibt es im Sonnenlicht reichlich, wie man an den grünen Wellenlängen sieht, die von Baumblättern und Gras reflektiert werden. Um genug davon zu sammeln, um ihr Magnetometer zu betreiben, ersetzten Du und Kollegen den Laser durch eine Linse mit einem Durchmesser von 15 Zentimetern, um Sonnenlicht zu sammeln. Anschließend filterten sie das Licht, um alle Farben außer Grün zu entfernen, und fokussierten es auf einen Diamanten mit Stickstoffatomdefekten. Das Ergebnis ist eine rote Fluoreszenz, die magnetische Feldstärken anzeigt, genau wie dies bei mit Lasern ausgestatteten Magnetometern der Fall ist.

Die Umwandlung von Energie von einer Art in eine andere, wie es geschieht, wenn Solarzellen Licht sammeln und Strom erzeugen, ist ein von Natur aus ineffizienter Prozess (SN: 26.07.17). Die Forscher behaupten, dass die Vermeidung der Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität zum Betrieb von Lasern ihren Ansatz dreimal effizienter macht, als dies mit Solarzellen, die Laser antreiben, möglich wäre.

„Ich habe noch nie andere Berichte gesehen, die Solarforschung mit Quantentechnologien in Verbindung bringen“, sagt Yen-Hung Lin, ein Physiker an der Universität Oxford, der nicht an der Studie beteiligt war. „Es könnte durchaus einen Funken Interesse an dieser unerforschten Richtung entfachen, und wir könnten mehr interdisziplinäre Forschung auf dem Gebiet der Energie sehen.“

Auch Quantengeräte, die auf andere Faktoren wie elektrische Felder oder Druck reagieren, könnten von dem sonnenlichtgetriebenen Ansatz profitieren, sagen die Forscher. Insbesondere könnte die weltraumgestützte Quantentechnologie das intensive Sonnenlicht außerhalb der Erdatmosphäre nutzen, um maßgeschneidertes Licht für Quantensensoren bereitzustellen. Das verbleibende Licht in Wellenlängen, die die Quantensensoren nicht nutzen, könnte an Solarzellen weitergeleitet werden, die die Elektronik mit Strom versorgen, um die Quantensignale zu verarbeiten.

Das sonnenlichtbetriebene Magnetometer ist nur ein erster Schritt in der Verschmelzung von Quanten- und umweltverträglicher Technologie. „Im aktuellen Zustand dient dieses Gerät hauptsächlich Entwicklungszwecken“, sagt Du. „Wir gehen davon aus, dass die Geräte für praktische Zwecke genutzt werden. Aber es gibt noch viel zu tun.“

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Y. Zhu et al. Sonnenlichtgetriebene Quantenmagnetometrie. Physical Review X Energy, im Druck, 2022.

James Riordon ist freiberuflicher Wissenschaftsautor und Mitautor des Buches Ghost Particle – In Search of the Elusive and Mysterious Neutrino.

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