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- 用于低溫應(yīng)用的石墨烯霍爾傳感器
- 來(lái)源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2021/6/7
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(jì)算、高能物理、低溫物理、聚變和空間。
牛津儀器 ProteoxMX 稀釋冰箱。
傳統(tǒng)材料在低溫下很少能很好地工作，但石墨烯物理學(xué)的最新研究表明，這種材料在極低的溫度下表現(xiàn)出所需的特性。
Paragraf 的基于石墨烯的傳感器可以在低于 3 開(kāi)爾文的危急情況下測(cè)量超過(guò) 7 特斯拉的磁場(chǎng)強(qiáng)度，因此無(wú)需額外的室溫解決方案，因?yàn)樗鼈兊臒崮茏兓豢珊鲆暎@可能會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)錯(cuò)誤和不穩(wěn)定. Paragraf 的 CTO John Tingay 告訴 EE Times，石墨烯在極端低溫條件下的穩(wěn)健性是一個(gè)關(guān)鍵屬性。
Paragraf 認(rèn)為，即使在低得多的溫度下，新型 GHS-C 傳感器也能提供高性能。核物理中使用的下一代粒子加速器基于產(chǎn)生超過(guò) 16T 場(chǎng)強(qiáng)的磁鐵。Tingay 說(shuō) 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(jì)算正在追求更高的性能。例如，IBM 設(shè)定了到 2023 年構(gòu)建包含 1,000 個(gè)量子位 (qubits) 的量子計(jì)算機(jī)的目標(biāo)。
這聽(tīng)起來(lái)并不多，但與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的一位可以是 0 或 1（開(kāi)或關(guān)）不同，任何單個(gè)量子位都可以具有由疊加、糾纏和退相干定義的無(wú)數(shù)狀態(tài)。幾個(gè)狀態(tài)可以同時(shí)表示一個(gè)量子位，兩個(gè)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(jì)算機(jī)同時(shí)處理所有位組合，使量子計(jì)算比傳統(tǒng)計(jì)算更強(qiáng)大、更快。
量子測(cè)量要求非常高，因?yàn)楸仨殞顟B(tài)與任何可能修改量子位屬性的外部事件隔離開(kāi)，從而將錯(cuò)誤引入系統(tǒng)本身（退相干）。為確保以最高的精度完成所有工作，必須在極低的溫度下工作。即使是檢測(cè)量子位狀態(tài)的傳感器產(chǎn)生的熱量也會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤。GHS-C 霍爾傳感器旨在耗散 pW 而不是 mW，顯著降低對(duì)設(shè)備的潛在影響，使研究人員能夠進(jìn)行更準(zhǔn)確的測(cè)量。
量子位的操作是用不同的技術(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(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。因此，目的是進(jìn)行磁屏蔽以消除外部場(chǎng)的影響，以便在極低的溫度下運(yùn)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。
在 Proteox 稀釋冰箱中測(cè)試的 Paragraf 石墨烯霍爾傳感器。
“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。在許多熱循環(huán)中，石墨烯材料或其與其他器件組件的相互作用幾乎沒(méi)有變化，這意味著器件性能在多次循環(huán)中是可重復(fù)的。這也意味著對(duì)電氣特性的溫度依賴性很小，使校準(zhǔn)變得容易和準(zhǔn)確，”Tingay 說(shuō)。
他補(bǔ)充說(shuō)：“在高場(chǎng)中，量子振蕩會(huì)限制傳感器的精度，并且可能會(huì)發(fā)生飽和。通過(guò)操縱石墨烯的電氣特性，我們可以完全避免高場(chǎng)飽和并減少量子振蕩，從而實(shí)現(xiàn)高精度霍爾傳感器。使用傳統(tǒng)霍爾傳感器進(jìn)行精確測(cè)量的另一個(gè)挑戰(zhàn)是靈敏度會(huì)隨溫度變化。因此，需要精確的溫度測(cè)量來(lái)彌補(bǔ)這一點(diǎn)。石墨烯在大溫度范圍內(nèi)的電性能變化很小，因此 GHS-C 溫度系數(shù)僅為 1% 的幾分之一�！�
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(gè)問(wèn)題。Paragraf指出，它的傳感器只需要 nA 的電流并耗散 pW 級(jí)的功率，優(yōu)化量子測(cè)量并因此減少退相干。Paragraf 的傳感器已在低于 50 K 的各種溫度下通過(guò)磁場(chǎng)測(cè)試，返回亞 ppm 范圍內(nèi)的測(cè)量分辨率。
“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。該設(shè)備可以與標(biāo)準(zhǔn)電流源和電壓表連接，”Tingay 說(shuō)。
量子計(jì)算將很快成為現(xiàn)實(shí)，并可以廣泛應(yīng)用于整個(gè)化工行業(yè)——從藥物設(shè)計(jì)到建模，甚至在股票市場(chǎng)。量子位控制是量子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中的一個(gè)限制因素。這些量子位保持在這種疊加狀態(tài)的時(shí)間稱為它們的“相干時(shí)間”。相干時(shí)間越長(zhǎng)，量子比特計(jì)算復(fù)雜問(wèn)題的能力就越大。每一個(gè)設(shè)計(jì)步驟，使用的每一個(gè)傳感器，都將決定量子計(jì)算機(jī)的效率。
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