Ce capteur quantique respectueux de l'environnement fonctionne à la lumière du soleil

La lumière brille à travers un capteur de diamant qui est au cœur d'un appareil quantique alimenté par la lumière du soleil qui mesure les champs magnétiques.

Yunbin Zhu/Université des sciences et technologies de Chine

De James R. Riordon

19 septembre 2022 à 7h00

La technologie quantique passe au vert.

Une nouvelle approche des capteurs de champ magnétique très sensibles abandonne les lasers gourmands en énergie sur lesquels les appareils précédents s'appuyaient pour effectuer leurs mesures et les remplace par la lumière du soleil. Les lasers peuvent engloutir environ 100 watts de puissance - comme garder une ampoule lumineuse allumée. L'innovation libère potentiellement les capteurs quantiques de ce besoin énergétique. Le résultat est un prototype écologique à la pointe de la technologie, rapportent les chercheurs dans un prochain numéro de Physical Review X Energy.

Le gros problème réside dans la façon dont l'appareil utilise la lumière du soleil. Il n'utilise pas de cellules solaires pour convertir la lumière en électricité. Au lieu de cela, la lumière du soleil fait le travail de la lumière du laser, explique Jiangfeng Du, physicien à l'Université des sciences et technologies de Chine à Hefei.

Les magnétomètres quantiques incluent souvent un puissant laser vert pour mesurer les champs magnétiques. Le laser brille sur un diamant qui contient des défauts atomiques (SN : 26/02/08). Les défauts surviennent lorsque les atomes d'azote remplacent certains des atomes de carbone dont sont faits les diamants purs. Le laser vert provoque la fluorescence des défauts d'azote, émettant une lumière rouge avec une intensité qui dépend de la force des champs magnétiques environnants.

Le nouveau capteur quantique a également besoin du feu vert. Il y en a beaucoup dans la lumière du soleil, comme on le voit dans les longueurs d'onde vertes réfléchies par les feuilles des arbres et l'herbe. Pour en collecter suffisamment pour faire fonctionner leur magnétomètre, Du et ses collègues ont remplacé le laser par une lentille de 15 centimètres de diamètre pour recueillir la lumière du soleil. Ils ont ensuite filtré la lumière pour éliminer toutes les couleurs sauf le vert et l'ont concentrée sur un diamant présentant des défauts d'atomes d'azote. Le résultat est une fluorescence rouge qui révèle l'intensité des champs magnétiques comme le font les magnétomètres équipés d'un laser.

Changer l'énergie d'un type à un autre, comme cela se produit lorsque les cellules solaires collectent la lumière et produisent de l'électricité, est un processus intrinsèquement inefficace (SN : 26/07/17). Les chercheurs affirment qu'éviter la conversion de la lumière du soleil en électricité pour faire fonctionner des lasers rend leur approche trois fois plus efficace que ce qui serait possible avec des cellules solaires alimentant des lasers.

"Je n'ai jamais vu d'autres rapports reliant la recherche solaire aux technologies quantiques", déclare Yen-Hung Lin, physicien à l'Université d'Oxford qui n'a pas participé à l'étude. "Cela pourrait bien déclencher une étincelle d'intérêt dans cette direction inexplorée, et nous pourrions voir davantage de recherches interdisciplinaires dans le domaine de l'énergie."

Les dispositifs quantiques sensibles à d'autres choses, comme les champs électriques ou la pression, pourraient également bénéficier de l'approche basée sur la lumière du soleil, selon les chercheurs. En particulier, la technologie quantique spatiale pourrait utiliser l'intense lumière du soleil disponible à l'extérieur de l'atmosphère terrestre pour fournir une lumière adaptée aux capteurs quantiques. La lumière restante, dans des longueurs d'onde que les capteurs quantiques n'utilisent pas, pourrait être reléguée aux cellules solaires qui alimentent l'électronique pour traiter les signaux quantiques.

Le magnétomètre alimenté par la lumière du soleil n'est qu'une première étape dans la fusion de la technologie quantique et écologiquement durable. "Dans l'état actuel, cet appareil est principalement destiné à des fins de développement", a déclaré Du. "Nous nous attendons à ce que les appareils soient utilisés à des fins pratiques. Mais il [y a] beaucoup de travail à faire."

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Y. Zhu et al. Magnétométrie quantique pilotée par la lumière du soleil. Physical Review X Energy, sous presse, 2022.

James Riordon est un rédacteur scientifique indépendant et co-auteur du livre Ghost Particle - In Search of the Elusive and Mysterious Neutrino.

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