用于低溫應(yīng)用的石墨烯霍爾傳感器

Paragraf 展示了一種由石墨烯制成的霍爾傳感器，用于低溫應(yīng)用，例如量子計算、高能物理、低溫物理、聚變和空間。傳統(tǒng)材料發(fā)現(xiàn)在淺溫度下工作具有挑戰(zhàn)性，而石墨烯物理學(xué)的最新研究表明，這種材料可以滿足這些條件下的測量要求。該傳感器在低于 3 開爾文 （K） 的危急情況下可測量超過 7 特斯拉 （T） 的磁場強度，因此無需使用額外的室溫解決方案，因為它們在熱能。Paragraf 的 CTO John Tingay 告訴《電力電子新聞》，低溫是一種極端環(huán)境，因此石墨烯的穩(wěn)健性是一個關(guān)鍵屬性。

Paragraf 相信，得益于其專有技術(shù)，新型 GHS-C 傳感器即使在低得多的溫度下也能提供高性能。核物理學(xué)中的下一代粒子加速器基于產(chǎn)生超過 16 T 場強的磁鐵，Tingay 表示 GHS-C 已經(jīng)引起了該領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)者的興趣。石墨烯霍爾傳感器允許更快地繪制磁體，取代當(dāng)前的核磁共振 （NMR） 探針映射步驟。

用于量子比特的石墨烯

量子計算正在通過追求高性能來加速其技術(shù)。例如，IBM 設(shè)定了到 2023 年實現(xiàn) 1，000 個量子位 （qubits） 的目標(biāo)。許多工程師設(shè)想這些即將推出的新型量子計算機的各種用途與傳統(tǒng)硬件加速器截然不同。與傳統(tǒng)計算機將信息存儲為 0 或 1 不同，在量子世界中，情況有所不同。不是開和關(guān)，而是使用疊加、糾纏和退相干來描述量子位的狀態(tài)。幾個狀態(tài)可以同時代表一個量子位，兩個量子位也是“量子”連接而不是物理連接。這一特性允許量子計算機同時處理所有位組合，從而使量子計算比傳統(tǒng)等效物更強大、更快。

量子測量要求非常高，因為必須將狀態(tài)與可能修改測量并因此將誤差引入系統(tǒng)本身（退相干）的任何外部事件隔離。為了確保一切都以最高精度完成，必須在極低的溫度下工作，優(yōu)化傳統(tǒng)傳感器引入的熱量。GHS-C 霍爾傳感器旨在耗散皮瓦級而不是兆瓦級，對設(shè)備的影響要小得多，使研究人員能夠進行準(zhǔn)確的測量。

量子位的操作是通過不同的技術(shù)完成的，特別是微波。在量子水平上工作意味著即使是最小的干擾也會對系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。因此，目的是磁屏蔽以消除外部場的影響，以在極低的溫度下運行。

石墨烯已被證明適用于這些應(yīng)用。它由排列在六邊形晶格中的單層碳原子組成。它可以比硅更快地傳導(dǎo)電子并且比銅更好地傳輸熱量。由于其緊湊的結(jié)構(gòu)，它幾乎不能滲透分子和所有氣體。

“石墨烯的低載流子濃度和高遷移率導(dǎo)致高分辨率、高線性傳感器，”Tingay 說?！霸谠S多熱循環(huán)中，石墨烯材料或其與其他設(shè)備組件的相互作用幾乎沒有變化，這意味著設(shè)備性能在多次循環(huán)中是可重復(fù)的。這也意味著對電氣特性的溫度依賴性很小，使校準(zhǔn)變得容易和準(zhǔn)確。

“在高場中，量子振蕩會限制傳感器的準(zhǔn)確性，并且可能會發(fā)生飽和，”他補充道?！巴ㄟ^操縱我們石墨烯的電特性，我們可以完全避免高場飽和并減少量子振蕩，從而產(chǎn)生高精度的霍爾傳感器。使用傳統(tǒng)霍爾傳感器進行精確測量的另一個挑戰(zhàn)是靈敏度會隨溫度變化；因此，需要精確的溫度測量來彌補這一點。石墨烯在大溫度范圍內(nèi)的電特性變化很小，因此 GHS-C 溫度系數(shù)僅為百分之幾?！?/p>

Paragraf 的石墨烯霍爾傳感器在 Proteox 稀釋冰箱中進行測試

低溫應(yīng)用的低功耗

在溫度接近于零的低溫應(yīng)用中，任何熱變化都是一個問題。Paragraf 指出，它的傳感器只需要納安級的電流，耗散皮瓦級的功率，優(yōu)化量子測量，從而減少退相干。Paragraf 的傳感器已經(jīng)在低于 50 K 的各種溫度下在磁場中進行了測試，返回的測量分辨率在百萬分之一以下。

“GHS-C 作為模擬設(shè)備提供，可以靈活地集成到各種可用的低溫系統(tǒng)中，”Tingay 說?！霸撛O(shè)備可以與標(biāo)準(zhǔn)電流源和電壓表連接?！?/p>

量子計算將很快成為現(xiàn)實，并可以廣泛應(yīng)用于整個化學(xué)工業(yè)——從藥物設(shè)計到建模，甚至在股票市場。量子位控制是量子計算機設(shè)計中的一個限制因素。這些量子位保持在這種疊加狀態(tài)的時間稱為它們的“相干時間”。相干時間越長，量子比特計算復(fù)雜問題的能力就越大。每一個設(shè)計步驟和使用的每一個傳感器都將決定量子計算機的效率。