蓄勢待發(fā)的量子傳感器

李偉

如何緩解電動汽車車主的“里程焦慮”？如何防止微芯片等元件過熱，提高其性能和可靠性？隨著材料科技的不斷發(fā)展，能夠精確感測溫度、電場和磁場的量子傳感器有望得到更為廣泛的應用。

量子傳感器通過發(fā)光顯示參數(shù)

隨著人們對環(huán)境保護和氣候變化的關(guān)注度不斷提高，越來越多的人開始選擇電動汽車作為出行代步工具。然而，“里程焦慮”成為一些車主的“心病”。

電動汽車電池的電量難以測量，原因是多方面的。例如，電池電壓和電流的微小變化都會明顯影響電量的測定，尤其對于磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池來說，其放電曲線平緩，電芯電壓測量精度難以控制，傳感器的任何小幅度誤差，都可能導致較大的電量測量誤差。又如，電池包通常由幾十個電芯組成，其整體性能由最弱的電芯決定。精確測定電池電量，需要對每一個電芯進行實時監(jiān)控，這對空間布置以及成本控制都提出了極高的要求。再如，電動汽車在運行過程中，由于電池處于持續(xù)變化的充放電狀態(tài)，這就要求傳感器能夠?qū)崟r準確地監(jiān)測這些變化。然而，快速的充放電循環(huán)和動態(tài)的負載變化，往往超出傳感器的快速響應能力。

綜上所述，如果能夠開發(fā)出以較高的精度測量電池電量的傳感器，就能解決這些問題，從而更加充分地發(fā)揮車載電池的性能。

據(jù)《日本經(jīng)濟新聞》報道，日本東京工業(yè)大學科學家研發(fā)的鉆石量子傳感器，能夠?qū)㈦妱悠嚨睦m(xù)航里程增加約10%。該技術(shù)可以精確測量電池中儲存的電量，從而最大限度地提高車載電池的性能。

鉆石憑借其具備的“相干氮-空位”（NV）中心結(jié)構(gòu)、可調(diào)節(jié)自旋性、磁場敏感性以及在室溫下的傳導性能，在量子傳感器領(lǐng)域備受青睞。鉆石本身具有極高的化學穩(wěn)定性和物理耐用性，是世界上硬度最高、導熱性最好的材料，這也使得鉆石量子傳感器非常適合在惡劣的環(huán)境中長期應用。

東京工業(yè)大學和汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)矢崎總業(yè)公司，將目光投向鉆石量子傳感器。他們在鉆石的部分結(jié)晶中設(shè)計出特殊結(jié)構(gòu)，使其在綠色激光的照射下能夠發(fā)出紅色熒光，且根據(jù)內(nèi)部電子的量子狀態(tài)，熒光的強度會發(fā)生變化。受周圍電流、磁力、溫度的影響，電子的量子狀態(tài)會發(fā)生變化。因此，根據(jù)紅色熒光的強度就可計算出磁力，從而推導出電流強度，測定電池的電量。

傳統(tǒng)傳感器以1安培為單位測量電流的強弱，而新開發(fā)的這種傳感器能以10毫安為單位測定電流，是傳統(tǒng)傳感器的百分之一。利用這種傳感器，能夠使電池的充電量更加接近其實際可儲存的電量，而不用預留10%的空間，電池的續(xù)航里程從而得以延長。

相較于此前已廣泛投入應用的超導量子干涉儀，鉆石量子傳感器具有更高的檢測靈敏度與空間分辨率，而且具備操作簡單、環(huán)境適應性強、應用范圍廣等多種優(yōu)勢。目前，鉆石量子傳感器成為國際量子技術(shù)的前沿領(lǐng)域。美國、英國、歐盟等國家和地區(qū)均將NV中心結(jié)構(gòu)量子調(diào)控與量子傳感器應用作為重點研發(fā)方向。日本矢崎總業(yè)公司的目標是：最早于2030年實現(xiàn)鉆石量子傳感器實用化，面向汽車制造商和零部件制造商供貨。雖然目前鉆石量子傳感器的配套設(shè)備體積較大，但通過使用小型半導體等改良方案，未來有望將量子傳感器系統(tǒng)的體積縮小到10立方厘米的級別，從而可以作為測定電流的傳感器來使用。

不過，量子世界的“巨人”——鉆石也并非十全十美。東京工業(yè)大學教授波多野睦子表示，鉆石量子傳感器最大的成本因素就是鉆石材料。在量子應用領(lǐng)域，用于制造量子傳感器的鉆石是人工合成的，這與從礦山開采、用于制造珠寶首飾的天然鉆石有很大不同，成本大幅降低?；诔杀究紤]，她所在的科研團隊從一開始就使用低成本線路板，以及從沼氣中提煉出的量產(chǎn)型鉆石。不過，量子傳感器未來仍將面臨成本挑戰(zhàn)。因為以其獨特的性能，應用場景必將大幅拓展。“人工合成鉆石畢竟也是鉆石。期待未來的技術(shù)進步能夠帶來新材料，從而進一步擴大量子傳感器的應用范圍。”

據(jù)英國《納米通信》雜志報道，除了成本因素，當量子傳感器被用于巨量數(shù)據(jù)處理時，鉆石也顯得力不從心。具體來說，當鉆石材料的尺寸小到一定程度時，其超穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)就可能破裂。也就是說，鉆石材料在量子傳感器中的應用是存在極限的。

那么，除了鉆石，還有能夠適用于量子傳感器的材料嗎？答案是氮摻雜氮化硼（hBN）。之前研究人員并未意識到hBN作為量子傳感器原料和量子信息處理媒介的潛力。最近的一些研究發(fā)現(xiàn)了hBN的某些新結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可能成為鉆石材料NV中心結(jié)構(gòu)的有力競爭對手。其中，硼空位缺陷結(jié)構(gòu)（hBN晶格中的一個單獨原子缺失）被認為是最有發(fā)展前景的。

光照實驗中的量子傳感器

量子傳感器有望緩解“里程焦慮”

澳大利亞變革性超光學系統(tǒng)卓越研究中心（TMOS）的研究人員，正在采用光激發(fā)和電子束照射同步實施的新實驗方法，研究hBN中的缺陷結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

《納米通信》指出，量子傳感器比傳統(tǒng)傳感器具有更高的靈敏度和空間分辨率。隨著相關(guān)材料科技的不斷發(fā)展，量子傳感器的應用可謂蓄勢待發(fā)，有望在諸多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。對于“工業(yè)4.0”和設(shè)備微型化來說，精確感測溫度、電場和磁場尤其關(guān)鍵，測定的參數(shù)對于控制設(shè)備來說至關(guān)重要。目前，“熱管理”是限制微型化設(shè)備性能進一步提升的一個重要因素。在納米尺度上進行精確的量子感測，將有助于防止微芯片等元件過熱，提高其性能和可靠性。

量子感測在醫(yī)療領(lǐng)域也有應用前景，如檢測磁性納米顆粒和分子。未來它可能被用作一種可注射入人體的診斷工具，搜索癌細胞，或者監(jiān)測細胞的代謝過程，以跟蹤治療的效果。

編輯：姚志剛? ? winter-yao@163.com