电装、日立、矢崎总业等日本知名厂商都在关注“终极万能传感器”。这是以钻石结构为基础,具有被称为“NV中心”的量子力学特性的传感器。能够同时感测磁场、电场和温度,被期待广泛地应用于从车载到细胞内的测量。

 

“为了防止汽车发生事故,想监测驾驶员的状态”“想测量细胞中局部的磁场和温度”“想高精度地感知电池余量,增加电动汽车(EV)的实际行驶距离”。

如果有一种传感器能够满足这种多样的需求,那就是“终极万能传感器”。实际上,能够满足上述所有需求的传感器的研究开发正在进行中,那就是NV中心。

 

负责NV中心研究开发的东京工业大学教授波多野睦子解释说:“NV中心的特征是能够同时感知磁场、电场和温度。”作为传感器的动态范围极广,作为量子器件则是罕见的,“常温下自不必说,低温下从毫开尔文的水平可以工作到高温下600开尔文左右”。因此,被期待广泛的应用于产业当中。

 

东工大是日本NV中心产业合作的中心地。该大学在文部科学省推进的量子科学技术研究开发项目“Q-LEAP”中,被定位为量子测量、传感领域的国内核心机构。波多野教授的研究室以NV中心的社会实现为目标,迅速与电装、日立、矢崎总业进行共同研究。

 

例如矢崎总业,使用NV中心致力于高精度监控EV使用的电池余量的研究开发。与迄今为止用于EV电池的传感器相比,NV中心能够以100倍的精度测量电流。还可以同时测量电流和温度。通过对电池余量的高精度监控和控制,可以有效地利用电池。目前为止200公里左右为极限的EV的实际行驶距离,使用同样的电池将提高10%,目标是增加到220公里。

 

电装公司正通过NV中心对汽车驾驶司机的状态监控,进行安心、安全的研究开发。驾驶员的大脑和心脏的磁状态通过NV中心读取,从精神状态到身体深处的状态都能掌握。当驾驶员发生意外情况时,可以与汽车的预防安全技术联动,防患于未然。

 

日立将充分利用NV中心的测量细胞内的温度和磁场技术,也正在研究再生医疗的商业应用等。

尽管还处于研究阶段,但众多企业仍聚集在该研究室,理由是NV中心从细胞到车载水平,有可能成为名副其实的终极万能传感器。因为是固体量子传感器,但都对其抱有将来转为集成化的期待。

 

坚固的钻石结构,维持量子状态

据悉,NV中心是1997年由德国的研究人员创立的。那么,这个NV中心具体是怎样的构造呢?

 

NV中心是将碳原子结合的钻石结晶的一部分置换成氮原子的结构。碳原子的原子价(与其他原子结合的手数)为4,而氮原子的原子价为3。氮原子可以与相邻的3个碳原子结合,但不能与另一个碳原子结合。因此,与氮原子成对形成一个空穴。

 

NV中心的构造。将一部分碳原子(C)置换成氮原子(N)来构成

 

多余的电子聚集在这个空穴部分。聚集在一起的电子会像磁铁一样,保持在自旋的量子状态。通常,这种自旋状态如果不冷却就很难维持。但是,由于NV中心内的电子自旋被坚固的钻石结构所保护,所以在常温下可以维持这种状态。

 

如果用绿色的光照射NV中心,它就会发出红色的荧光。

 

将绿色波长的光照射到这个NV中心,作为万能传感器发挥作用。具体来说,如果用绿色的波长照射,处于量子状态的空穴部分的电子就会吸收光,发出红色的荧光。这种红色荧光具有根据外部的磁场、电场、温度而发生强弱变化的性质。通过测量红色荧光的强弱,可以反过来感知外部的磁场、电场和温度。

 

NV中心的优点是,在构造上可以将传感器小型化。波多野教授说:“世界上已经出现了5纳米角的NV中心。细胞级别的测量也成为了可能。”东工大也与东京大学共同利用NV中心,开始对老鼠等小动物的大脑和心脏进行磁测。

 

NV中心受到众多企业的期待,可谓是好事一桩。但目前还存在一些问题。例如,传感器的灵敏度还没有达到目前的最高水平。

目前NV中心的磁感度为pico特斯拉水平。利用超导材料作为高灵敏度磁传感器的基准的超导量子干涉仪(SQUID)的磁感度为10毫特斯拉。与NV中心有两位数的精度差距。

 

波多野教授说:“为了NV中心的高灵敏度化,材料方面和量子测量方面都需要不断的改良。将来的目标是达到飞秒特斯拉水平的灵敏度。”

 

另一个课题是制造成本。目前NV中心与人工金刚石的合成一样,采用高温高压的形成方法是主流。这种成型方法无论如何都会导致制造成本的提高。

 

东工大为了降低制造成本,正在利用半导体制造中常用的化学气相生长法(CVD)来形成NV中心。该大学的酒井忠司特任教授满怀期待地说:“NV中心与硅基板的制造技术亲和性很高,将来可以在工业产品的水平上制造NV中心。”

 

NV中心的研究开发在世界上也在快速发展。欧洲正在进行名为“quontum旗舰”的大规模量子技术项目,其中NV中心也被列入目标之一。据说已经开始与德国汽车零部件巨头博世、法国国防及电子设备巨头泰勒斯等企业合作。

 

在美国,美国国防部国防高级研究计划局(DARPA)开始了名为“DRINQS”的量子技术研究计划。据悉,美国国防巨头洛克希德·马丁等公司也参与其中。酒井特任教授说:“洛克希德希望利用NV中心来探测地磁,不依赖GPS(全球定位系统),将其用于飞机的飞行。”

 

波多野教授表示:“日本在量子器件技术方面很强大。与产业的合作也很先进,这一点也是强项。不过,NV中心的真正的社会实现还需要近10年的时间。”显示出持久战的态势。

 

NV中心在世界范围内也开始受到广泛企业的关注。围绕终极万能传感器的世界研究开发竞争今后将更加激烈。