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。

牛津仪器 ProteoxMX 稀释冰箱。

传统材料在低温下很少能很好地工作，但石墨烯物理学的最新研究表明，这种材料在极低的温度下表现出所需的特性。

Paragraf 的基于石墨烯的传感器可以在低于 3 开尔文的危急情况下测量超过 7 特斯拉的磁场强度，因此无需额外的室温解决方案，因为它们的热能变化不可忽视，这可能会给系统带来错误和不稳定. Paragraf 的 CTO John Tingay 告诉 EE Times，石墨烯在极端低温条件下的稳健性是一个关键属性。

Paragraf 认为，即使在低得多的温度下，新型 GHS-C 传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产生超过 16T 场强的磁铁。Tingay 说 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

量子计算正在追求更高的性能。例如，IBM 设定了到 2023 年构建包含 1,000 个量子位 (qubits) 的量子计算机的目标。

这听起来并不多，但与传统计算机中的一位可以是 0 或 1（开或关）不同，任何单个量子位都可以具有由叠加、纠缠和退相干定义的无数状态。几个状态可以同时表示一个量子位，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，使量子计算比传统计算更强大、更快。

量子测量要求非常高，因为必须将状态与任何可能修改量子位属性的外部事件隔离开，从而将错误引入系统本身（退相干）。为确保以最高的精度完成所有工作，必须在极低的温度下工作。即使是检测量子位状态的传感器产生的热量也会导致错误。GHS-C 霍尔传感器旨在耗散 pW 而不是 mW，显着降低对设备的潜在影响，使研究人员能够进行更准确的测量。

量子位的操作是用不同的技术完成的，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，目的是进行磁屏蔽以消除外部场的影响，以便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。

在 Proteox 稀释冰箱中测试的 Paragraf 石墨烯霍尔传感器。

“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。在许多热循环中，石墨烯材料或其与其他器件组件的相互作用几乎没有变化，这意味着器件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，”Tingay 说。

他补充说：“在高场中，量子振荡会限制传感器的精度，并且可能会发生饱和。通过操纵石墨烯的电气特性，我们可以完全避免高场饱和并减少量子振荡，从而实现高精度霍尔传感器。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性能变化很小，因此 GHS-C 温度系数仅为 1% 的几分之一。”

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 nA 的电流并耗散 pW 级的功率，优化量子测量并因此减少退相干。Paragraf 的传感器已在低于 50 K 的各种温度下通过磁场测试，返回亚 ppm 范围内的测量分辨率。

“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。该设备可以与标准电流源和电压表连接，”Tingay 说。

量子计算将很快成为现实，并可以广泛应用于整个化工行业——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，使用的每一个传感器，都将决定量子计算机的效率。

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