Questo sensore quantistico ecologico funziona grazie alla luce solare

La luce splende attraverso un sensore di diamante che è il cuore di un dispositivo quantistico alimentato dalla luce solare che misura i campi magnetici.

Yunbin Zhu/Università della Scienza e della Tecnologia della Cina

Di James R. Riordon

19 settembre 2022 alle 7:00

La tecnologia quantistica sta diventando verde.

Una nuova interpretazione dei sensori di campo magnetico altamente sensibili elimina i laser assetati di energia su cui i dispositivi precedenti facevano affidamento per effettuare le misurazioni e li sostituisce con la luce solare. I laser possono assorbire circa 100 watt di potenza, come tenere accesa una lampadina. L’innovazione potenzialmente slega i sensori quantistici da quel bisogno energetico. Il risultato è un prototipo ecologico all’avanguardia della tecnologia, riferiscono i ricercatori in un prossimo numero di Physical Review X Energy.

La grande svolta sta nel modo in cui il dispositivo utilizza la luce solare. Non utilizza celle solari per convertire la luce in elettricità. Invece, la luce del sole fa il lavoro della luce del laser, dice Jiangfeng Du, fisico dell'Università di Scienza e Tecnologia della Cina a Hefei.

I magnetometri quantistici spesso includono un potente laser verde per misurare i campi magnetici. Il laser brilla su un diamante che contiene difetti atomici (SN: 26/02/08). I difetti si verificano quando gli atomi di azoto sostituiscono alcuni degli atomi di carbonio di cui sono fatti i diamanti puri. Il laser verde fa sì che i difetti dell'azoto emettano fluorescenza, emettendo luce rossa con un'intensità che dipende dalla forza dei campi magnetici circostanti.

Anche il nuovo sensore quantistico ha bisogno di luce verde. Ce n'è in abbondanza alla luce del sole, come si vede nelle lunghezze d'onda verdi riflesse dalle foglie degli alberi e dall'erba. Per raccoglierne abbastanza da poter far funzionare il loro magnetometro, Du e colleghi hanno sostituito il laser con una lente di 15 centimetri di diametro per raccogliere la luce solare. Hanno quindi filtrato la luce per rimuovere tutti i colori tranne il verde e l'hanno focalizzata su un diamante con difetti negli atomi di azoto. Il risultato è una fluorescenza rossa che rivela l’intensità del campo magnetico proprio come fanno i magnetometri dotati di laser.

Cambiare energia da un tipo a un altro, come accade quando le celle solari raccolgono la luce e producono elettricità, è un processo intrinsecamente inefficiente (SN: 26/07/17). I ricercatori sostengono che evitare la conversione della luce solare in elettricità per far funzionare i laser rende il loro approccio tre volte più efficiente di quanto sarebbe possibile con le celle solari che alimentano i laser.

"Non ho mai visto nessun altro rapporto che colleghi la ricerca solare alle tecnologie quantistiche", afferma Yen-Hung Lin, un fisico dell'Università di Oxford che non è stato coinvolto nello studio. "Potrebbe benissimo accendere una scintilla di interesse in questa direzione inesplorata, e potremmo vedere una ricerca più interdisciplinare nel campo dell'energia."

Secondo i ricercatori, anche i dispositivi quantistici sensibili ad altri fattori, come i campi elettrici o la pressione, potrebbero trarre vantaggio dall’approccio basato sulla luce solare. In particolare, la tecnologia quantistica spaziale potrebbe utilizzare l’intensa luce solare disponibile al di fuori dell’atmosfera terrestre per fornire luce su misura per i sensori quantistici. La luce rimanente, nelle lunghezze d’onda che i sensori quantistici non utilizzano, potrebbe essere relegata alle celle solari che alimentano l’elettronica per elaborare i segnali quantistici.

Il magnetometro guidato dalla luce solare è solo il primo passo nella fusione tra tecnologia quantistica e tecnologia sostenibile dal punto di vista ambientale. "Allo stato attuale, questo dispositivo è principalmente per scopi di sviluppo", afferma Du. "Ci aspettiamo che i dispositivi vengano utilizzati per scopi pratici. Ma c'è molto lavoro da fare."

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Y.Zhu et al. Magnetometria quantistica guidata dalla luce solare. Physical Review X Energy, in corso di stampa, 2022.

James Riordon è uno scrittore scientifico freelance e coautore del libro Ghost Particle – Alla ricerca dell'elusivo e misterioso neutrino.

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