用于低温应用的石墨烯霍尔传感器

Paragraf 展示了一种由石墨烯制成的霍尔传感器，用于低温应用，例如量子计算、高能物理、低温物理、聚变和空间。传统材料发现在浅温度下工作具有挑战性，而石墨烯物理学的最新研究表明，这种材料可以满足这些条件下的测量要求。该传感器在低于 3 开尔文 （K） 的危急情况下可测量超过 7 特斯拉 （T） 的磁场强度，因此无需使用额外的室温解决方案，因为它们在热能。Paragraf 的 CTO John Tingay 告诉《电力电子新闻》，低温是一种极端环境，因此石墨烯的稳健性是一个关键属性。

Paragraf 相信，得益于其专有技术，新型 GHS-C 传感器即使在低得多的温度下也能提供高性能。核物理学中的下一代粒子加速器基于产生超过 16 T 场强的磁铁，Tingay 表示 GHS-C 已经引起了该领域领导者的兴趣。石墨烯霍尔传感器允许更快地绘制磁体，取代当前的核磁共振 （NMR） 探针映射步骤。

用于量子比特的石墨烯

量子计算正在通过追求高性能来加速其技术。例如，IBM 设定了到 2023 年实现 1，000 个量子位 （qubits） 的目标。许多工程师设想这些即将推出的新型量子计算机的各种用途与传统硬件加速器截然不同。与传统计算机将信息存储为 0 或 1 不同，在量子世界中，情况有所不同。不是开和关，而是使用叠加、纠缠和退相干来描述量子位的状态。几个状态可以同时代表一个量子位，两个量子位也是“量子”连接而不是物理连接。这一特性允许量子计算机同时处理所有位组合，从而使量子计算比传统等效物更强大、更快。

量子测量要求非常高，因为必须将状态与可能修改测量并因此将误差引入系统本身（退相干）的任何外部事件隔离。为了确保一切都以最高精度完成，必须在极低的温度下工作，优化传统传感器引入的热量。GHS-C 霍尔传感器旨在耗散皮瓦级而不是兆瓦级，对设备的影响要小得多，使研究人员能够进行准确的测量。

量子位的操作是通过不同的技术完成的，特别是微波。在量子水平上工作意味着即使是最小的干扰也会对系统产生重大影响。因此，目的是磁屏蔽以消除外部场的影响，以在极低的温度下运行。

石墨烯已被证明适用于这些应用。它由排列在六边形晶格中的单层碳原子组成。它可以比硅更快地传导电子并且比铜更好地传输热量。由于其紧凑的结构，它几乎不能渗透分子和所有气体。

“石墨烯的低载流子浓度和高迁移率导致高分辨率、高线性传感器，”Tingay 说。“在许多热循环中，石墨烯材料或其与其他设备组件的相互作用几乎没有变化，这意味着设备性能在多次循环中是可重复的。这也意味着对电气特性的温度依赖性很小，使校准变得容易和准确。

“在高场中，量子振荡会限制传感器的准确性，并且可能会发生饱和，”他补充道。“通过操纵我们石墨烯的电特性，我们可以完全避免高场饱和并减少量子振荡，从而产生高精度的霍尔传感器。使用传统霍尔传感器进行精确测量的另一个挑战是灵敏度会随温度变化；因此，需要精确的温度测量来弥补这一点。石墨烯在大温度范围内的电特性变化很小，因此 GHS-C 温度系数仅为百分之几。”

Paragraf 的石墨烯霍尔传感器在 Proteox 稀释冰箱中进行测试

低温应用的低功耗

在温度接近于零的低温应用中，任何热变化都是一个问题。Paragraf 指出，它的传感器只需要纳安级的电流，耗散皮瓦级的功率，优化量子测量，从而减少退相干。Paragraf 的传感器已经在低于 50 K 的各种温度下在磁场中进行了测试，返回的测量分辨率在百万分之一以下。

“GHS-C 作为模拟设备提供，可以灵活地集成到各种可用的低温系统中，”Tingay 说。“该设备可以与标准电流源和电压表连接。”

量子计算将很快成为现实，并可以广泛应用于整个化学工业——从药物设计到建模，甚至在股票市场。量子位控制是量子计算机设计中的一个限制因素。这些量子位保持在这种叠加状态的时间称为它们的“相干时间”。相干时间越长，量子比特计算复杂问题的能力就越大。每一个设计步骤和使用的每一个传感器都将决定量子计算机的效率。　　

      审核编辑：彭静