مقاييس المغناطيسية الكمية: الإبحار في العوالم البشرية

إذا لم تستطع تقنية الكم أن تجعل حياتنا البشرية أكثر صحة وثراء ومتعة ، فما هي قيمتها؟ حالات استخدام التكنولوجيا الكمومية للعالم البشري هذه: عقول وحضارةو السفر بدون GPS، تستكشف المجالات المغناطيسية بحساسيات أكبر وسهولة في الاستخدام من ذي قبل.

نطاق المجال المغناطيسي B الذي نحققه اليوم هو 1pT - 1FT. انظر الشكل 1. إن المجال المغناطيسي للأرض السعة (10^-4 هذا ~ 1000 مرة أكبر من الضجيج البيئي (10^-7-10^-9 T) ، وحوالي 100 مليون مرة أكبر من المجالات المغناطيسية التي تولدها التيارات العصبية في فروة الرأس تخطيط الدماغ المغناطيسي (MEG)

الرقم 1. من تقنية مستشعر المجال المغناطيسي عالي الحساسية ، الشريحة 11 ، من برنامج David Pappas (NIST) التعليمي في اجتماع APS 2008 مارس لاجتماع الجمعية الفيزيائية الأمريكية.

بينيت وآخرون ، مراجعة 2021: أجهزة قياس المغناطيسية الدقيقة لتطبيقات الفضاء في الشكل 2 المشروح يوضح مجال اهتمامنا. في المستطيل الأحمر ، نرى أن المستشعرات تتحرك إلى: أحجام أصغر ودقة أكثر دقة ومتطلبات طاقة أصغر. تحظى هذه الحالات الأربع باهتمام خاص فيما يتعلق بحالات الاستخدام لدينا:

• NV = شغور النيتروجين في الماس (انظر IQT: عجز الماس الكمي والأصول);
• AVC = خلية بخار ذري: خلية زجاجية تحتوي على بخار 400K من الذرات القلوية ، عند إضاءة الليزر ، ستعمل على محاذاة دورانها. في حالة وجود مجال مغناطيسي ، يظهر تغير في الاستقطاب أو السعة في الضوء المعاد إرساله (القسم 3.1 في Bennett et al's ، 2021) ؛
• SERF = خالي من الاسترخاء للتبادل التدريجي: مثل AVC ، لكن بخار أكثر كثافة عند درجة حرارة أعلى ، مما يؤدي إلى حساسية أعلى (القسم 3.1 في Bennett et al's ، مراجعة 2021) ؛ و

الحبار = أجهزة التداخل الكمي فائقة التوصيل ؛ تقنية قوية في منتصف الستينيات

الرقم 2. OM = ميكانيكي بصري ، NV = مراكز NV في الماس ، خلية بخار ذرية + SERF = تقنية كمية ذرة محاصرة ، SQUID - SQUID (جهاز تداخل كمي فائق التوصيل) ، من Bennett et al's ، مراجعة 2021: أجهزة قياس المغناطيسية الدقيقة لتطبيقات الفضاء  

بخصوص OM = ميكانيكي بصري: هذا موضوع غني يجب كتابته بشكل منفصل في المستقبل. إذا كنت مهتمًا بالفضول ، فراجع القسم 3.2 في Bennett et al's، 2021 Review، مزيد من التفاصيل في Li et al.، 2021 استشعار التجويف البصري.

عقل
التصوير المغناطيسي للدماغ (ميج) هي تقنية غير جراحية وفسيولوجية عصبية تقيس المجالات المغناطيسية الناتجة عن النشاط العصبي للدماغ. MEG هو مباشرة، مع دقة زمنية أعلى: ~ مللي ثانية ، ودقة مكانية أعلى: ~ مم ، من غير مباشر القياسات ، مثل التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي ، والتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني ، والتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني.

المعيار الذهبي لـ MEGs حاليًا هو SQUID ، لكن هذا المعيار بدأ في التحول في 2018 إلى كمية خلية البخار الذري (أفك) تكنولوجيا؛ على وجه الخصوص ، إلى أجهزة قياس المغناطيسية التي يتم ضخها بصريًا (OPMs)، مع Boto et al ، نظام MEG الجديد لعام 2018. في حين أن مستشعرات الحبار لديها حساسية فيمتوتيسلا (fT) ، فإن مستشعرات الحبار لها بعض السلبيات: 1) متطلبات التبريد المبردة ، 2) حركة رأس المريض الجامدة داخل وحدة 500 كجم تقريبًا ، 3) عدم المرونة لأحجام مختلفة للرأس. بالنسبة لمرضى الأطفال ، فإن أجهزة استشعار MEGs بواسطة مستشعرات SQUID غير مناسبة بشكل خاص.

Boto et al ، عالج نظام النموذج الأولي MEG-OPM لعام 2018 هذه السلبيات باستخدام خوذة مخصصة تبلغ 1 كجم تقريبًا ، حيث تم تركيب 13 مستشعرًا OPM. كان كل جهاز استشعار 3x3x3 ملم³, ⁸⁷مكون مملوء بالبخار ومُسخَّن في درجة حرارة 150 درجة مئوية تقريبًا ، مع درجة حرارة جسم الخوذة. كانت الخوذة عبارة عن ماسح ضوئي مطبوع ثلاثي الأبعاد ، مصمم لرأس المريض ، باستخدام فحص تشريحي بالرنين المغناطيسي. تمت الإشارة إلى المجال المغناطيسي من خلال انخفاض في انتقال الضوء يمكن اكتشافه في الثنائي الضوئي ، بعد شعاع ليزر مستقطب دائريًا بطول 3 نانومتر ، استقطب الدوران في ذرات الخلية Rb.

Feys et al ، مايو 2022 العمل: أجهزة قياس المغناطيسية التي يتم ضخها بصريًا على فروة الرأس مقابل التصوير المغنطيسي المبرد للتقييم التشخيصي للصرع عند الأطفال في سن المدرسة يتحسن على ما سبق مع 32 جهاز استشعار ، تم اختبارها مع مرضى الأطفال الذين يعانون من الصرع البؤري مجهول السبب أو الحراريات. كان هدف البحث هو الكشف عن التصريفات الصرعية بين النشبات (IEDs) ومقارنة بيانات MEG-OPM ببيانات MEG-SQUID. أظهر عمل Feys et al ، 2022 ذلك تم توفير MEG-OPM حساسية مماثلة: 1-3 pt / هرتز^1/2، ولكن اتساع أعلى للعبوات الناسفة وارتفاع إشارة إلى ضوضاء من MEG-SQUIDs التقليدية.  الشكل 3 يشير إلى الإعداد التجريبي.

الشكل 3 الإعداد التجريبي لقياس MEG IED لـ OPM مقابل SQUID (4^th الشكل) من Feys et al، 2022.

ينشط مجال أبحاث MEG مع مناهج جديدة لتنفيذ تصاميم OPM و SERF المرنة. يمكن رؤية لمحة عما سيحدث في المستقبل في حالات استخدام كتاب الملخص ل ورشة عمل اليوم حول إشارة ضوضاء الغد 2019.

الحضارات
المعيار الذهبي لرسم خرائط المجال المغناطيسي الأثري هو أيضا تكنولوجيا الحبار. ومن الأمثلة البارزة التي اكتشفت الامتداد التاريخي للعاصمة: كاراكوروم في عصر المغول نشرت بواسطة Bemmann et al ، 2021 ، في نوفمبر الماضي ، مع تقدم في الطبيعة. عرضت المجلة صورة ميدانية ذات مظهر غريب ، والتي تضمنت عربة تحمل مجموعة من الحبار المبرد بالتبريد تم سحبها بواسطة مركبة على الطرق الوعرة. لماذا تسلط الطبيعة الضوء على نتيجة علمية تعتمد على الحبار ، وهي تقنية منتصف الستينيات؟ دسيسة فازت اليوم.

أقترح على رسامي الخرائط المغناطيسية الأثرية النظر في فوائد نهج الجيوفيزياء لاستخدام الطائرات بدون طيار. مع البحث عن الكلمات الرئيسية: رسم خرائط المجال المغناطيسي للطائرات بدون طيار، سوف تكتشف مقاييس مغناطيسية محمولة على طائرات بدون طيار ، بناءً على خلايا البخار الذري تقارب حساسية تدفق المجال المغناطيسي لمستشعرات الحبار: بترتيب عدة pT / Hz^1/2. بالإضافة إلى ذلك ، هناك أوضاع تشغيلية جديدة لخلايا البخار الذري ، مثل تشتت ضوء التحول Mz، التي من شأنها زيادة حساسية مقياس المغناطيسية.

ضع في اعتبارك هذه المزايا:
1) جمع ومعالجة أكثر كفاءة للبيانات ، 2) انخفاض التكلفة الميدانية ، 3) الوصول إلى المناطق التي يتعذر الوصول إليها أو عالية الخطورة ، 4) زيادة سلامة العمال ، 5) تكامل الطائرات بدون طيار مع أجهزة الاستشعار الجيوفيزيائية الأخرى، و 6) لا حاجة إلى ناظم البرد. عيب مقارنة بالحبار هو العددية، بدلا من المتجه، قياس التدفق المغناطيسي. ومع ذلك ، يمكن أن توفر أجهزة الاستشعار بالقصور الذاتي لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ومعدل أخذ العينات المرتفع قدرات رسم الخرائط. هذا الفيديو مدته 21 دقيقة من Geometrics ، والذي التقطت منه إطارًا للشكل 4 ، يوضح مثل هذا النظام في الميدان.

الشكل 4 لقطة من فيديو Geometrics ، والتي يوضح رسم خرائط المجال المغناطيسي للطائرات بدون طيار

السفر بدون GPS

أين هو الجليد المظلم؟ نبدأ هذا القسم بالغموض. وضعت شركة لوكهيد مارتن موارد كبيرة في تطوير NV في مقياس المغناطيسية الماسي النموذج الأولي ، مع فريق (بقيادة MJ DiMario) ، و شراكة العنصر 6 لتصنيع الماس ، براءات اختراع 21, اختبارات Dark Ice والخطط المستقبلية, الصحافة العامة (مما أدى إلى مئات المقالات الصحفية الدولية) ، Dark Ice علامة تجارية و شعار تطبيقات ، بحث ما قبل الطباعة (إدموندز وآخرون ، 2020) و منشور (إدموندز وآخرون ، 2021).

ومع ذلك ، لم تتابع شركة Lockheed Martin أبدًا طلبها الخاص بتطبيق الشعار ، ولم تقدم الشركة مطلقًا "بيان استخدام" للعلامة التجارية (SOU) إلى USPTO. لذلك تم إسقاط الشعار والعلامة التجارية (شكرًا جزيلاً لـ D. Barnes لفهم الجوانب القانونية). غادر قائد فريق Dark Ice شركة Lockheed Martin في عام 2020 ليشكل شركته الخاصة. من نتائج البحث العامة ، في الشكل 1 من مسودة ما قبل الطباعة ، يُطلق على الأداة اسم "الجهاز" فقط ، وفي مقال مجلة 2021 المقابل ، تم حذف صورة جهاز Dark Ice تمامًا. يبدو أن Dark Ice قد ذهب إلى "Dark".

الشكل 5 شركة لوكهيد مارتن 2019 بيان صحفي صورة من جهاز Dark Ice

استخدم النموذج الأولي ماسة اصطناعية مخدرة بالنيتروجين لقياس تغيرات المجال المغناطيسي: القوة والاتجاه. عند تراكب خرائط المجال المغناطيسي للأرض ، التي قدمتها الرابطة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي ، أنتج النموذج الأولي معلومات موقع الأرض. من المحتمل أن تدعم هذه التقنية المواقف التي لا يتوفر فيها نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) أو في ظروف صعبة بخلاف ذلك. وفقًا للطباعة الأولية والأوراق المنشورة لفريق Dark Ice ، فإن الماس ترسيب البخار الكيميائي (CVD) كانت عملية التصنيع ناجحة للتحقيق تشعيع و الصلب إجراءات لدعم تصنيع الماس NV بجودة التكنولوجيا الكمومية.

اليوم ، تركز التنمية في NV في الماس مجال البحث هو تحسين تصنيع مثل هذا الماس وتحسين تقنيات الإخلاص للقراءة.

كما هو موضح في الشامل أكارد وآخرون ، 2020 مراجعة: بلورات أحادية الماس CVD مع مراكز NVتتمثل المزايا الرئيسية لـ CVD في صنع الماس الكمي في القدرة على هندسة طبقات مكدسة من المنشطات المختلفة والتركيب بطريقة ديناميكية ومرنة للغاية يمكن قياسها. تقدم المراجعة أفضل العمليات التي تعتمد على التطبيق ، بما في ذلك قياس المغناطيسية. يتطلب نظام التكنولوجيا الكمومية ∼10-15 جزء في المليون ، الذي ينفذه فريق Dark Ice تكيف ظروف النمو التي تسمح بكفاءة عالية في تناول المنشطات ، مع الحفاظ على الجودة البلورية. حددت نتائج Edmonds et al ، 2021 كذلك عوامل الحساسية المحددة لمقياس المغناطيسية.  أطروحة الدكتوراه هيمادري تشاترجي لعام 2021 استخدم ماسة Element-6 / Dark Ice-process مع عينات الماس الأخرى وأظهرت حساسيات الكشف عن المجال المغناطيسي في ~ 100 nT / هرتز^1/2 النظام ، باستخدام المغناطيسية امتصاص الأشعة تحت الحمراء. قدم قائمة بالتحسينات لحساسية النظام لتصل إلى عشرات pT / هرتز^1/2 حساسية الباحثين الآخرين. أطروحته ومراجعة Achard et al هي مصادر جيدة للعثور على أوصاف لجهود المجتمع البحثية.

في حين أن اختفاء Dark Ice قد يكون مصدر قلق للأخبار حول الجدوى التقنية لمقاييس المغناطيسية هذه ، فلا تقلق. يجب أن تطمئنك هذه الملاحظة إلى أن NV في تقدم مقياس المغناطيسية الماسي يسير.

عمارة جرابس ، دكتوراه. هو فيزيائي متعدد التخصصات وعالم كواكب ومتواصل علمي ومعلم وخبير في جميع تقنيات الكم.