Газовая Промышленность 11.2024

Краткое сообщение

EDN: KWZDKK

УДК 539.2::620.22
(UDK 539.2::620.22)

Для получения доступа к статьям

Авторизуйтесь

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ (NEW TECHNOLOGIES AND EQUIPMENT)

КВАНТОВАЯ СЕНСОРИКА НА ОСНОВЕ NV-ЦЕНТРОВ В АЛМАЗЕ ДЛЯ СИСТЕМ НАВИГАЦИИ, НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ И ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

(QUANTUM DIAMOND SENSING FOR NAVIGATION, DIRECTIONAL DRILLING, AND SPACECRAFT POSITIONING SYSTEMS)

В настоящее время квантовые технологии во всем мире рассматриваются как фундаментальная составляющая будущего развития индустрии и движущая сила следующей промышленной революции. В Российской Федерации определена дорожная карта развития «сквозной» цифровой технологии с отдельным разделом «Квантовые технологии». Системы на их основе позволяют решать задачи в области геологоразведки, направленного бурения, ориентации роботизированных систем, автономных или управляемых наземных/воздушных/водных транспортных средств, спутников и иных космических аппаратов.
В статье рассматриваются квантовые сенсоры, принцип работы которых основан на создании дефектов в кристаллической структуре алмаза – центров окраски. Они получили свое название благодаря тому, что придают кристаллам цвет. В электронике наиболее известный из всех «полезных» дефектов – центр окраски азот-вакансия. Данный элемент является самой распространенной примесью в алмазе.
Центр азот-вакансия представляет собой дефект в кристаллической решетке алмаза, в котором один атом углерода замещен азотом, а еще один, соседний к азоту, отсутствует. Такой дефект электрически нейтрален, но при захвате электрона он заряжается, что оказывается энергетически более выгодным, и образует отрицательно заряженный NV-центр. Он и является основой целого ряда сенсоров: магнитного поля, температуры и вращения. Они, в свою очередь, применяются в фундаментальных исследованиях в области физики, химии, биологии, геологии, астрономии (поиск темной материи) и инерционной навигации. Квантовые сенсоры на алмазе уже становятся частью индустрии и скоро займут достойное место в бытовых устройствах.

Worldwide, quantum technology is now seen as a fundamental component of future industry development and the driving force behind the next industrial revolution. The Russian Federation has prepared a roadmap for the development of “end-to-end” digital technology with a separate section on “Quantum Technology”. Systems based on quantum technology can solve problems in geological exploration, directional drilling, orientation of robotic systems, unmanned or guided land/air/water vehicles, satellites and other spacecraft.
The paper deals with quantum sensors operating by creating defects in the diamond crystal structure – color centers. The name is due to the color they give to the crystals. In electronics, the best known of all “useful” defects is the nitrogen-vacancy color center. This element is the most common impurity in diamonds.
The nitrogen-vacancy center is a defect in the diamond crystal lattice in which one carbon atom is substituted with nitrogen and another one adjacent to the nitrogen is missing. Such a defect is electrically neutral, but when an electron is captured, it is charged, which turns out to be energetically more favorable, and forms a negatively charged NV center. It is the basis for a number of sensors: magnetic field, temperature, and rotation. These sensors are used in fundamental research in physics, chemistry, biology, geology, astronomy (search for dark matter) and inertial navigation. Quantum diamond sensors are already becoming part of the industry and will soon take their rightful place in consumer devices.

СКВОЗНЫЕ ЦИФРОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, КВАНТОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК, АЛМАЗ, НАПРАВЛЕННОЕ БУРЕНИЕ

END-TO-END DIGITAL TECHNOLOGY, QUANTUM TECHNOLOGY, MAGNETOMETER SENSOR, DIAMOND, DIRECTIONAL DRILLING

А.Х. Сафиуллин, ООО «Газпром ВНИИГАЗ» (Санкт-Петербург, Россия), A_Safiullin@vniigaz.gazprom.ru

А.Н. Петров, ООО «Синтез Технолоджи» (Псков, Россия), andreipetrov@yandex.ru

К.М. Наговицын, ООО «Синтез Технолоджи», k.m.nagovitsyn@syntechno.ru

А.В. Колядин, к.т.н., ООО «НПК Алмаз – Карабаново» (Карабаново, Россия), kolyadin-56@mail.ru

О.С. Бохов, к.т.н., ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова» (Санкт-Петербург, Россия), boschov@mail.ru

А.А. Титов, к.т.н., ПАО «Газпром» (Санкт-Петербург, Россия), A. Titov@adm.gazprom.ru

Е.А. Карасев, ПАО «Газпром», E.Karasev@adm.gazprom.ru

A.Kh. Safiullin, Gazprom VNIIGAZ LLC (Saint Petersburg, Russia), A_Safiullin@vniigaz.gazprom.ru

A.N. Petrov, Synthesis Technology LLC (Pskov, Russia), andreipetrov@yandex.ru

K.M. Nagovitsyn, Synthesis Technology LLC, k.m.nagovitsyn@syntechno.ru

A.V. Kolyadin, PhD in Engineering, OOO NPK Almaz – Karabanovo (Karabanovo, Russia), kolyadin-56@mail.ru

O.S. Bokhov, PhD in Engineering, Saint Petersburg Electrotechnical University (Saint Petersburg, Russia), boschov@mail.ru

A.A. Titov, PhD in Engineering, PJSC Gazprom (Saint Petersburg, Russia), A.Titov@adm.gazprom.ru

E.A. Karasev, PJSC Gazprom, E.Karasev@adm.gazprom.ru

Diamond NV center magnetometry // National Institute of Standards and Technology: офиц. сайт. URL: https://www.nist.gov/programs-projects/diamond-nv-center-magnetometry (дата обращения: 08.11.2024).

Rubinas O.R., Soshenko V.V., Bolshedvorskii S.V., et al. Optical detection of an ensemble of C centres in diamond and their coherent control by an ensemble of NV centres // Quantum Electron. 2021. Vol. 51, No. 10. Article ID 938. DOI: 10.1070/QEL17624.

Wolf T., Neumann P., Nakamura K., et al. A subpicotesla diamond magnetometer // Phys. Rev. X. 2015. Vol. 5. Article ID 041001. DOI: 10.1103/PhysRevX.5.041001.

Gruber A., Dräbenstedt A., Tietz C., et al. Scanning confocal optical microscopy and magnetic resonance on single defect centers // Science. 1997. Vol. 276, No. 5321. P. 2012–2014. DOI: 10.1126/science.276.5321.2012.

van Oort E., van der Kamp B., Sitter R., Glasbeek M. Microwave-induced line-narrowing of the N-V defect absorption in diamond // J. Lumin. 1991. Vol. 48–49, Pt. 2. P. 803–806. DOI: 10.1016/0022-2313(91)90245-Q.

Zheng H., Hruby J., Bourgeois E., et al. Electrical-readout microwave-free sensing with diamond // Phys. Rev. Appl. 2022. Vol. 18, No. 2. Article ID 024079.

Magnetometry with single NV centers in diamond // National University of Singapore: офиц. сайт. URL: https://qolah.org/research/nv_v2/nv_v2.html (дата обращения: 08.11.2024).

Bonato C., Blok M., Dinani H., et al. Optimized quantum sensing with a single electron spin using real-time adaptive measurements // Nat. Nanotechnol. 2016. Vol. 11. P. 247–252. DOI: 10.1038/nnano.2015.261.

Hruby J., Gulka M., Mongillo M., et al. Magnetic field sensitivity of the photoelectrically read nitrogen-vacancy centers in diamond // Appl. Phys. Lett. 2022. Vol. 120. Article ID 162402. DOI: 10.1063/5.0079667.

Xie Y., Yu H., Zhu Y., et al. A hybrid magnetometer towards femtotesla sensitivity under ambient conditions // Science Bulletin. 2021. Vol. 66, No. 2. P. 127–132. DOI: 10.1016/j.scib.2020.08.001.

Pelé A.-F. Bosch startup mines diamond flaws for magnetic-field quantum sensors // EE Times Europe: электрон. журн. URL: https://www.eetimes.eu/bosch-startup-mines-diamond-flaws-for-magnetic-field-quantum-sensors/ (дата обращения: 08.11.2024).

Q.ANT magnetometer Q.M 10: Advance in new dimensions of magnetic field measurement with native sensing // Q.ANT GmbH: офиц. сайт. URL: https://qant.com/magnetometer/ (дата обращения: 08.11.2024).

Quantum sensor market size, share, and trends 2024 to 2033 // Precedence Research: офиц. сайт. URL: https://www.precedenceresearch.com/quantum-sensor-market (дата обращения: 08.11.2024).

Gooneratne C.P., Li B., Moellendick T.E. Downhole applications of magnetic sensors // Sensors. 2017. Vol. 17, No. 10. Article ID 2384. DOI: 10.3390/s17102384.

Bennett J.S., Vyhnalek B.E., Greenall H., et al. Precision magnetometers for aerospace applications: A review // Sensors. 2021. Vol. 21, No. 16. Article ID 5568. DOI: 10.3390/s21165568.

AV3 AEROVISUAL: офиц. сайт. URL: https://av3aerovisual.com/en/ (дата обращения: 08.11.2024).

Blakley S.M., Vincent C., Fedotov I.V., et al. Photonic-crystal-fiber quantum probes for high-resolution thermal imaging // Phys. Rev. Appl. 2020. Vol. 13, No. 4. Article ID 044048.

Graham S.M., Newman A.J., Stephen C.J., et al. On the road with a diamond magnetometer // arXiv: сайт. URL: https://arxiv.org/abs/2401.16090 (дата обращения: 08.11.2024).

National Institute of Standards and Technology. Diamond NV center magnetometry. Available from: https://www.nist.gov/programs-projects/diamondnv-center-magnetometry [Accessed: 8 November 2024].

Rubinas OR, Soshenko VV, Bolshedvorskii SV, Cojocaru IS, Zeleneev AI, Vorobyov VV, et al. Optical detection of an ensemble of C centres in diamond and their coherent control by an ensemble of NV centres. Quantum Electron. 2021; 51(10): article ID 938. https://doi.org/10.1070/QEL17624.

Wolf T, Neumann P, Nakamura K, Sumiya H, Ohshima T, Isoya J, et al. A subpicotesla diamond magnetometer. Phys. Rev. X. 2015; 5: article ID 041001. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.5.041001.

Gruber A, Dräbenstedt A, Tietz C, Fleury L, Wrachtrup J, von Borczyskowski C. Scanning confocal optical microscopy and magnetic resonance on single defect centers. Science. 1997; 276(5321): 2012–2014. https://doi.org/10.1126/science.276.5321.2012.

van Oort E, van der Kamp B, Sitter R, Glasbeek M. Microwave-induced line-narrowing of the N-V defect absorption in diamond. J. Lumin. 1991; 48–49(2): 803–806. https://doi.org/10.1016/0022-2313(91)90245-Q.

Zheng H, Hruby J, Bourgeois E, Soucek J, Siyushev P, Jelezko F, et al. Electrical-readout microwave-free sensing with diamond. Phys. Rev. Appl. 2022; 18(2): article ID 024079.

National University of Singapore. Magnetometry with single NV centers in diamond. Available from: https://qolah.org/research/nv_v2/nv_v2.html [Accessed: 8 November 2024].

Bonato C, Blok M, Dinani H, Berry DW, Markham ML, Twitchenet DJ, et al. Optimized quantum sensing with a single electron spin using real-time adaptive measurements. Nat. Nanotechnol. 2016; 11: 247–252. https://doi.org/10.1038/nnano.2015.261.

Hruby J, Gulka M, Mongillo M, Radu IP, Petrov MV, Bourgeois E, et al. Magnetic field sensitivity of the photoelectrically read nitrogen-vacancy centers in diamond. Appl. Phys. Lett. 2022; 120: article ID 162402. https://doi.org/10.1063/5.0079667.

Xie Y, Yu H, Zhu Y, Qin X, Rong X, Duan C-K, et al. A hybrid magnetometer towards femtotesla sensitivity under ambient conditions. Science Bulletin. 2021; 66(2): 127–132. https://doi.org/10.1016/j.scib.2020.08.001.

Pelé A-F. Bosch startup mines diamond flaws for magnetic-field quantum sensors. Available from: https://www.eetimes.eu/bosch-startup-minesdiamond-flaws-for-magnetic-field-quantum-sensors/ [Accessed: 8 November 2024].

Q.ANT GmbH. Q.ANT magnetometer Q.M 10: Advance in new dimensions of magnetic field measurement with native sensing. Available from: https://qant.com/magnetometer/ [Accessed: 8 November 2024].

Precedence Research. Quantum sensor market size, share, and trends 2024 to 2033. Available from: https://www.precedenceresearch.com/quantumsensor-market [Accessed: 8 November 2024].

Gooneratne CP, Li B, Moellendick TE. Downhole applications of magnetic sensors. Sensors. 2017; 17(10): article ID 2384. https://doi.org/10.3390/s17102384.

Bennett JS, Vyhnalek BE, Greenall H, Bridge EM, Gotardo F, Forstner S, et al. Precision magnetometers for aerospace applications: A review. Sensors. 2021; 21(16): article ID 5568. https://doi.org/10.3390/s21165568.

AV3 AEROVISUAL. Homepage. Available from: https://av3aerovisual.com/en/ (дата обращения: 08.11.2024).

Blakley SM, Vincent C, Fedotov IV, Liu X, Sower K, Nodurft D, et al. Photonic-crystal-fiber quantum probes for high-resolution thermal imaging. Phys. Rev. Appl. 2020; 13(4): article ID 044048.

Graham SM, Newman AJ, Stephen CJ, Edmonds AM, Twitchen DJ, Markham ML, et al. On the road with a diamond magnetometer. Available from: https://arxiv.org/abs/2401.16090 [Accessed: 8 November 2024].
NEFTEGAS.info

Внимание к деталям — от идеи
до воплощения! Только актуальная информация и свежие новости.

Контакты

108811, г. Москва, Киевское ш.,
Бизнес-парк «Румянцево», корп. Б,
подъезд 5, офис 506 Б

+7 (495) 240-54-57