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用于低溫應用的石墨烯霍爾傳感器
來源:賽斯維傳感器網 發表于 2021/6/7

Paragraf 展示了一種由石墨烯制成的霍爾傳感器,用于低溫應用,例如量子計算、高能物理、低溫物理、聚變和空間。

牛津儀器 ProteoxMX 稀釋冰箱。

傳統材料在低溫下很少能很好地工作,但石墨烯物理學的最新研究表明,這種材料在極低的溫度下表現出所需的特性。


Paragraf 的基于石墨烯的傳感器可以在低于 3 開爾文的危急情況下測量超過 7 特斯拉的磁場強度,因此無需額外的室溫解決方案,因為它們的熱能變化不可忽視,這可能會給系統帶來錯誤和不穩定. Paragraf 的 CTO John Tingay 告訴 EE Times,石墨烯在極端低溫條件下的穩健性是一個關鍵屬性。


Paragraf 認為,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生超過 16T 場強的磁鐵。Tingay 說 GHS-C 已經引起了該領域領導者的興趣。


石墨烯霍爾傳感器允許更快地繪制磁體,取代當前的核磁共振 (NMR) 探針映射步驟。


用于量子比特的石墨烯

量子計算正在追求更高的性能。例如,IBM 設定了到 2023 年構建包含 1,000 個量子位 (qubits) 的量子計算機的目標。


這聽起來并不多,但與傳統計算機中的一位可以是 0 或 1(開或關)不同,任何單個量子位都可以具有由疊加、糾纏和退相干定義的無數狀態。幾個狀態可以同時表示一個量子位,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,使量子計算比傳統計算更強大、更快。


量子測量要求非常高,因為必須將狀態與任何可能修改量子位屬性的外部事件隔離開,從而將錯誤引入系統本身(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。即使是檢測量子位狀態的傳感器產生的熱量也會導致錯誤。GHS-C 霍爾傳感器旨在耗散 pW 而不是 mW,顯著降低對設備的潛在影響,使研究人員能夠進行更準確的測量。


量子位的操作是用不同的技術完成的,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產生重大影響。因此,目的是進行磁屏蔽以消除外部場的影響,以便在極低的溫度下運行。


石墨烯已被證明適用于這些應用。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電子并且比銅更好地傳輸熱量。由于其緊湊的結構,它幾乎不能滲透分子和所有氣體。

在 Proteox 稀釋冰箱中測試的 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致高分辨率、高線性傳感器。在許多熱循環中,石墨烯材料或其與其他器件組件的相互作用幾乎沒有變化,這意味著器件性能在多次循環中是可重復的。這也意味著對電氣特性的溫度依賴性很小,使校準變得容易和準確,”Tingay 說。


他補充說:“在高場中,量子振蕩會限制傳感器的精度,并且可能會發生飽和。通過操縱石墨烯的電氣特性,我們可以完全避免高場飽和并減少量子振蕩,從而實現高精度霍爾傳感器。使用傳統霍爾傳感器進行精確測量的另一個挑戰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的電性能變化很小,因此 GHS-C 溫度系數僅為 1% 的幾分之一。”


低溫應用的低功耗

在溫度接近于零的低溫應用中,任何熱變化都是一個問題。Paragraf指出,它的傳感器只需要 nA 的電流并耗散 pW 級的功率,優化量子測量并因此減少退相干。Paragraf 的傳感器已在低于 50 K 的各種溫度下通過磁場測試,返回亞 ppm 范圍內的測量分辨率。


“GHS-C 作為模擬設備提供,可以靈活地集成到各種可用的低溫系統中。該設備可以與標準電流源和電壓表連接,”Tingay 說。


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


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