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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(tǒng)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(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(tǒng)帶來錯誤和不穩(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)健性是一個關(guān)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(chǎn)生超過 16T 場強的磁鐵。Tingay 說 GHS-C 已經(jīng)引起了該領(lǐng)域領(lǐng)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(shè)定了到 2023 年構(gòu)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(tǒng)計算機中的一位可以是 0 或 1（開或關(guān)）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(shù)狀態(tài)。幾個狀態(tài)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(tǒng)計算更強大、更快。

量子測量要求非常高，因為必須將狀態(tài)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(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。即使是檢測量子位狀態(tài)的傳感器產(chǎn)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(shè)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(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對系統(tǒng)產(chǎn)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(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(huán)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(huán)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(fā)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(xiàn)高精度霍爾傳感器。使用傳統(tǒng)霍爾傳感器進行精確測量的另一個挑戰(zhàn)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(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(yōu)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(nèi)的測量分辨率。

“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)備可以與標準電流源和電壓表連接，”Tingay 說。

量子計算將很快成為現(xiàn)實，并可以廣泛應用于整個化工行業(yè)——從藥物設(shè)計到建模，甚至在股票市場。量子位控制是量子計算機設(shè)計中的一個限制因素。這些量子位保持在這種疊加狀態(tài)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(shè)計步驟，使用的每一個傳感器，都將決定量子計算機的效率。