Для этого предполагается использовать прибор, построенный на основе монокристаллических алмазных пластин с NV-центрами, которые обладают уникальными квантовыми свойствами. Ученые САФУ провели ряд экспериментальных исследований, которые подтвердили, что датчик на этих принципах может быть создан. В лаборатории диагностики углеродных материалов и спиново-оптических явлений в широкозонных полупроводниках с помощью монокристаллов алмаза уже измеряются токи от миллиампер до десятков ампер.
Напомним, проект НОЦ «Российская Арктика» по монокристаллическим алмазным пластинам создавался в буквальном смысле с нуля. Задачу - разработать технологии и оборудование, которые позволяют получать из искусственно выращенных монокристаллов с уникальными характеристиками квантовые сенсоры для магнитного поля, - изначально сформулировал индустриальный партнер - крупная алмазодобывающая компания.
Искомые свойства кристалл приобретает путем внедрения в его структуру атома азота и выбивания атома углерода. Возникшие нарушения строения решетки алмаза и образуют так называемые NV- центр, обладающие квантовыми свойствами. Спектр применения такого датчика - самый широкий. Например, в устройствах навигации или приборах магнитно-резонансной томографии для исследования человеческого организма. Измерение тока– еще одно важное направление его использования.
Датчика, способного вести измерения в таком широком диапазоне токов с высокой степенью точности в настоящее время просто не существует. Во всем мире пока лишь идет активное обсуждение о необходимости такого прибора.
В частности, он нужен там, где есть мощные аккумуляторные батареи. Например, в электротранспорте или в любых типах беспилотной техники. Там, где величина тока может стремительно меняться в очень короткие временные промежутки. Регистрация изменений с помощью бортового компьютера позволит оптимизировать процесс разряда батареи. Тем самым, увеличить ее выработку и ресурс.
Но принципы, которые применяются в современных измерителях, не позволяют реализовать идею полностью. Диапазон возможностей и точность приборов на основе эффекте Холла, который в настоящий момент используется повсеместно, значительно ниже.
- Такие приборы на основе классических не квантовых принципов обладают малой чувствительностью, - рассказал Дмитрий Макаров.
В противном случае они не способны измерять токи большой величины - просто сгорают. То есть работают только в узком диапазоне.
NV-центры, которые очень чувствительны к магнитному полю, жестко встроены в алмазную решетку, одного из самых твердых материалов в мире. Структура кристалла является сверхнадежной. Может работать и в космосе, и в радиационных условиях, не выходя из строя.
- Если такую пластину разместить неподалеку с проводником тока, то NV-центр будет чувствовать какой величины ток течет в проводнике с очень высокой степенью точности, - продолжил ученый. - По сути – это универсальный датчик. Мы уже подтвердили экспериментально его широкие возможности.
Полный цикли испытаний - измерение токов в сотни ампер, ученые завершат в ближайшие полгода, когда решат проблему перегрева и перегорания самих проводников. Один из вариантов - охлаждение жидким азотом.
Интерес к разработке проявляет индустриальный партнер лаборатории, а также Фонд перспективных исследований, с которым сейчас ведется обсуждение финансирования финальной части исследований.
- Я присутствовал на открытии первой отечественной зарядной станции для электромобилей на всероссийском форуме в Челябинске в июне этого года. Уральские коллеги также готовы протестировать наш измеритель тока на своей технике., - отметил научный руководитель НОЦ «Российская Арктика» Марат Есеев.
В ближайшие полгода будет создан прототип прибора, который в дальнейшем пойдет в производство в промышленных масштабах. Основная проблема, которая стоит перед учеными – миниатюризация устройства, создание компактного и удобного в эксплуатации датчика с приемлемой ценой.