কোয়ান্টাম ম্যাগনেটোমিটার: মানব রাজ্যে নেভিগেটিং

যদি একটি কোয়ান্টাম প্রযুক্তি আমাদের মানব জীবনকে স্বাস্থ্যকর, ধনী এবং আরও আনন্দদায়ক করতে না পারে, তাহলে এর মূল্য কী? এই মানব-রাজ্য, কোয়ান্টাম প্রযুক্তি ব্যবহারের ক্ষেত্রে: মস্তিষ্ক, সভ্যতা, এবং জিপিএস-মুক্ত ভ্রমণ, আগের চেয়ে বেশি সংবেদনশীলতা এবং সহজ-ব্যবহার সহ চৌম্বক ক্ষেত্র অনুসন্ধান করুন।

আজকে আমরা যে চৌম্বকীয় বি-ক্ষেত্রটি পরীক্ষা করছি তার পরিসীমা হল 1pT — 1fT। চিত্র 1. দেখুন পৃথিবীর চৌম্বকীয় ক্ষেত্র প্রশস্ততা (10^-4 টি) হয় ~1000 গুণ বড় চেয়ে পরিবেশগত শব্দ (10^-7-10^-9 টি), এবং স্নায়ু স্রোত দ্বারা মাথার ত্বকে উত্পন্ন চৌম্বকীয় ক্ষেত্রের চেয়ে ~ 100 মিলিয়ন গুণ বড় ম্যাগনেটো-এনসেফালোগ্রাফি (এমইজি)

চিত্র 1 উচ্চ সংবেদনশীলতা ম্যাগনেটিক ফিল্ড সেন্সর প্রযুক্তি স্লাইড 11, এর থেকে ডেভিড পাপ্পাস (NIST) এর টিউটোরিয়াল আমেরিকান ফিজিক্যাল সোসাইটির মিটিং এর এপিএস 2008 মার্চ মিটিং এ।

Bennett et al's, 2021 পর্যালোচনা: মহাকাশ অ্যাপ্লিকেশনের জন্য যথার্থ ম্যাগনেটোমিটার টীকাযুক্ত চিত্র 2-এ আমাদের আগ্রহের এলাকা দেখায়। লাল আয়তক্ষেত্রে, আমরা দেখতে পাই যে সেন্সরগুলি এখানে চলে যাচ্ছে: ছোট আকার, আরও সুনির্দিষ্ট রেজোলিউশন, এবং ছোট পাওয়ারের প্রয়োজনীয়তা। আমাদের ব্যবহারের ক্ষেত্রে বিশেষ আগ্রহ, এই চারটি হল:

• NV = হীরাতে নাইট্রোজেন শূন্যতা (আইকিউটি দেখুন: কোয়ান্টাম ডায়মন্ড ঘাটতি এবং সম্পদ);
• অধীনে লাইসেন্সীকৃত = পারমাণবিক বাষ্প কোষ: লেজার আলোকসজ্জায় ক্ষারীয় পরমাণুর 400K বাষ্প ধারণ করে একটি কাচের কোষ তার স্পিনগুলিকে সারিবদ্ধ করবে। একটি চৌম্বক ক্ষেত্র উপস্থিত থাকলে, পুনঃপ্রেরিত আলোতে একটি মেরুকরণ বা প্রশস্ততা পরিবর্তন প্রদর্শিত হয় (বেনেট এট আল'স, 3.1-এ বিভাগ 2021);
• SERF = স্পিন এক্সচেঞ্জ রিলাক্সেশন-ফ্রি: AVC-এর মতো, কিন্তু উচ্চ তাপমাত্রায় ঘন বাষ্প, যার ফলে উচ্চতর সংবেদনশীলতা হয় (বেনেট এট আল'স, 3.1 পর্যালোচনায় বিভাগ 2021); এবং

স্কুইড = সুপারকন্ডাক্টিং কোয়ান্টাম হস্তক্ষেপ ডিভাইস; 1960-এর দশকের মাঝামাঝি শক্তিশালী প্রযুক্তি

চিত্র 2 OM= অপটোমেকানিক্যাল, NV = হীরে কেন্দ্রগুলি, পারমাণবিক বাষ্প কোষ + SERF = আটকে থাকা পরমাণু কোয়ান্টাম প্রযুক্তি, SQUID – SQUID (সুপারকন্ডাক্টিং কোয়ান্টাম ইন্টারফারেন্স ডিভাইস), বেনেট এট আল'স থেকে, 2021 পর্যালোচনা: মহাকাশ অ্যাপ্লিকেশনের জন্য যথার্থ ম্যাগনেটোমিটার  

সংক্রান্ত OM = Optomechanical: এটি একটি সমৃদ্ধ বিষয় যা ভবিষ্যতে আলাদাভাবে লেখা হবে। আপনি যদি OM- কৌতূহলী হন, তাহলে Bennett et al's, 3.2 Review-এ বিভাগ 2021 দেখুন, Li et al., 2021-এ আরও বিশদ বিবরণ দেখুন ক্যাভিটি অপটোমেকানিকাল সেন্সিং.

মস্তিষ্ক
ম্যাগনেটো-এনসেফালোগ্রাফি (এমইজি) এটি একটি অ-আক্রমণকারী, নিউরোফিজিওলজিকাল কৌশল যা মস্তিষ্কের নিউরোনাল কার্যকলাপ দ্বারা উত্পন্ন চৌম্বকীয় ক্ষেত্র পরিমাপ করে। MEG হল সরাসরি, উচ্চ টেম্পোরাল রেজোলিউশন সহ: ~ms, এবং উচ্চ স্থানিক রেজোলিউশন: ~mm, এর চেয়ে পরোক্ষ পরিমাপ, যেমন fMRI, PET এবং SPECT।

MEG-এর জন্য সোনার মান বর্তমানে SQUID, কিন্তু সেই মান 2018 সালে স্থানান্তরিত হতে শুরু করে পারমাণবিক বাষ্প কোষ কোয়ান্টাম (স্ট্রোক) প্রযুক্তি; বিশেষ করে, থেকে অপটিক্যালি-পাম্পড ম্যাগনেটোমিটার (OPMs), সঙ্গে Boto et al, 2018 এর নতুন MEG সিস্টেম. SQUID সেন্সরগুলির ফেমটোটেসলা (fT) সংবেদনশীলতা থাকলেও, SQUID সেন্সরগুলির কিছু নেতিবাচক দিক রয়েছে: 1) ক্রায়োজেনিক শীতলকরণের প্রয়োজনীয়তা, 2) ~500 কেজি ইউনিটের ভিতরে অনমনীয়, রোগী-মাথা-চলাচল, 3) মাথার বিভিন্ন আকারের প্রতি নমনীয়তা। শিশু রোগীদের জন্য, SQUID সেন্সর দ্বারা MEGs বিশেষভাবে অনুপযুক্ত।

Boto et al, 2018-এর MEG-OPM প্রোটোটাইপ সিস্টেম এই নেতিবাচকগুলিকে একটি ~1kg কাস্টম হেলমেট দিয়ে সমাধান করেছে, যেখানে 13টি OPM সেন্সর মাউন্ট করা হয়েছে। প্রতিটি সেন্সর ছিল 3x3x3 মিমি³, ⁸⁷হেলমেটের শরীরের তাপমাত্রা সহ Rb-বাষ্পে ভরা এবং উত্তপ্ত উপাদান ~150C। হেলমেটটি ছিল একটি 3D-প্রিন্টেড 'স্ক্যানার-কাস্ট', যা রোগীর মাথার জন্য ডিজাইন করা হয়েছে, একটি শারীরবৃত্তীয় এমআরআই স্ক্যান ব্যবহার করে। চৌম্বক ক্ষেত্রটি আলোক সংক্রমণে একটি ফটোডিওড-শনাক্তযোগ্য ড্রপ দ্বারা নির্দেশিত হয়েছিল, একটি 795 এনএম, বৃত্তাকারভাবে পোলারাইজড লেজার রশ্মি, কোষের Rb পরমাণুকে স্পিন-পোলারাইজ করে।

Feys et al, মে 2022 কাজ: স্কুল-বয়সী শিশুদের মধ্যে মৃগী রোগের নির্ণয়মূলক মূল্যায়নের জন্য অন-স্ক্যাল্প অপটিক্যালি পাম্প করা ম্যাগনেটোমিটার বনাম ক্রায়োজেনিক ম্যাগনেটোএনসেফালোগ্রাফি উপরোক্ত 32টি সেন্সর দিয়ে উন্নতি করে, শিশু রোগীদের সাথে পরীক্ষা করা হয়, যাদের ইডিওপ্যাথিক বা অবাধ্য ফোকাল মৃগী আছে। গবেষণার লক্ষ্য ছিল ইন্টারিকটাল এপিলেপটিক ডিসচার্জ (আইইডি) সনাক্ত করা এবং এমইজি-এসকুইড ডেটার সাথে এমইজি-ওপিএম ডেটা তুলনা করা। Feys et al, 2022-এর কাজ সেটাই প্রমাণ করেছে MEG-OPM প্রদান করা হয়েছে অনুরূপ সংবেদনশীলতা: 1-3pT/Hz^1/2, কিন্তু প্রচলিত MEG-SQUID-এর তুলনায় উচ্চতর IED প্রশস্ততা এবং উচ্চতর সংকেত-টু-শব্দ.  চিত্র 3 পরীক্ষামূলক সেট আপ নির্দেশ করে।

চিত্র 3 OPM বনাম SQUID এর MEG IED পরিমাপের জন্য পরীক্ষামূলক সেটআপ (4^th চিত্র) থেকে ফেইস এট আল, 2022.

এমইজি গবেষণা ক্ষেত্রটি নমনীয় OPM এবং SERF ডিজাইন বাস্তবায়নের নতুন পদ্ধতির সাথে সক্রিয়। সামনে কি আছে তার একটা আভাস পাওয়া যাবে ব্যবহারের ক্ষেত্রে বিমূর্ত বই এর আজকের গোলমাল আগামীকালের সংকেত 2019 কর্মশালা.

সভ্যতার
প্রত্নতাত্ত্বিক চৌম্বক ক্ষেত্র ম্যাপিং জন্য স্বর্ণ মান হয় এছাড়াও স্কুইড প্রযুক্তি। একটি উচ্চ-প্রোফাইল উদাহরণ, যা রাজধানীর ঐতিহাসিক ব্যাপ্তি আবিষ্কার করেছিল: মঙ্গোল যুগের কারাকোরাম, ছিল প্রকাশিত Bemmann et al, 2021, গত নভেম্বরে, নেতৃত্ব দিয়ে প্রকৃতি. জার্নালটি একটি বহিরাগত-সুদর্শন ফিল্ড ফটো প্রদর্শন করেছিল, যার মধ্যে একটি ওয়াগন রয়েছে যা ক্রায়োনিক্যালি কুলড স্কুইডের একটি সেট বহন করে যা একটি অফ-রোড যানবাহন দ্বারা টানা হয়েছিল। প্রকৃতি কেন SQUID-এর উপর ভিত্তি করে একটি বিজ্ঞান ফলাফল হাইলাইট করবে, যা 1960-এর দশকের মাঝামাঝি প্রযুক্তি? ষড়যন্ত্র দিন জিতেছে.

আমি প্রত্নতাত্ত্বিক চৌম্বকীয় ম্যাপারদের ড্রোন ব্যবহার করার জন্য জিওফিজিক্স পদ্ধতির সুবিধাগুলি বিবেচনা করার পরামর্শ দিই। একটি কীওয়ার্ড অনুসন্ধানের সাথে: UAV চৌম্বক ক্ষেত্র ম্যাপিং, আপনি ড্রোন-মাউন্ট করা, ম্যাগনেটোমিটার, এর উপর ভিত্তি করে আবিষ্কার করবেন পারমাণবিক বাষ্প কোষ যা SQUID সেন্সরগুলির চৌম্বক ক্ষেত্রের প্রবাহ সংবেদনশীলতার আনুমানিক: বেশ কয়েকটি pT/Hz এর ক্রম অনুসারে^1/2. উপরন্তু, পারমাণবিক বাষ্প কোষের জন্য নতুন অপারেশনাল মোড, যেমন হালকা-বদল-বিচ্ছুরিত Mz, উন্নত করা হয়েছে, যা ম্যাগনেটোমিটারের সংবেদনশীলতাকে আরও বাড়িয়ে তুলবে।

এই সুবিধাগুলি বিবেচনা করুন:
1) আরও দক্ষ ডেটা সংগ্রহ এবং প্রক্রিয়াকরণ, 2) নিম্ন ক্ষেত্রের খরচ, 3) দুর্গম বা উচ্চ ঝুঁকিপূর্ণ অঞ্চলগুলিতে অ্যাক্সেস, 4) বৃহত্তর কর্মীদের নিরাপত্তা, 5) অন্যান্য জিওফিজিক্যাল সেন্সরের সাথে UAV ইন্টিগ্রেশন, এবং 6) cryostats জন্য কোন প্রয়োজন নেই. SQUID এর তুলনায় একটি অসুবিধা হল স্কেলার, পরিবর্তে ভেক্টর, চৌম্বকীয় প্রবাহ পরিমাপ। যাইহোক, জিপিএস ইনর্শিয়াল সেন্সর এবং একটি উচ্চ নমুনা হার ম্যাপিং ক্ষমতা প্রদান করতে পারে। জ্যামিতিক থেকে এই 21 মিনিটের ভিডিও, যেখান থেকে আমি চিত্র 4 এর জন্য একটি ফ্রেম ধরলাম, প্রমান ক্ষেত্রের মধ্যে যেমন একটি সিস্টেম.

চিত্র 4 একটি জ্যামিতিক ভিডিও থেকে একটি ফ্রেম দখল, যা প্রমান UAV চৌম্বক-ক্ষেত্র ম্যাপিং

জিপিএস-মুক্ত ভ্রমণ

কোথায় গাঢ় বরফ? আমরা এই বিভাগটি একটি রহস্য দিয়ে শুরু করি। লকহিড মার্টিন এর উন্নয়নে উল্লেখযোগ্য সম্পদ রাখে ডায়মন্ড ম্যাগনেটোমিটারে এনভি প্রোটোটাইপ, একটি দলের সাথে (এমজে ডিমারিওর নেতৃত্বে), একটি উপাদান-6 অংশীদারিত্ব হীরা তৈরির জন্য, এক্সএনএমএক্সএক্স পেটেন্টস, ডার্ক আইস পরীক্ষা এবং ভবিষ্যতের পরিকল্পনা, পাবলিক প্রেস (যা নেতৃত্বে শত শত আন্তর্জাতিক প্রেস টুকরা), গাঢ় বরফ ট্রেডমার্ক এবং একটি লোগো অ্যাপ্লিকেশন, একটি গবেষণা উদ্ভাবনের (এডমন্ডস এট আল, 2020) এবং প্রকাশন (Edmonds, et al, 2021)।

তবুও লকহিড মার্টিন কখনই তার লোগো আবেদনের অনুরোধ অনুসরণ করেনি এবং কোম্পানিটি কখনই USPTO-কে একটি ট্রেডমার্ক "ব্যবহারের বিবৃতি" (SOU) প্রদান করেনি। তাই লোগো এবং ট্রেডমার্ক বাদ দেওয়া হয়েছিল (বৈধতা বোঝার জন্য ডি বার্নসকে অনেক ধন্যবাদ)। ডার্ক আইস দলের নেতা 2020 সালে লকহিড মার্টিন ছেড়ে চলে যান, নিজের কোম্পানি গঠন করতে। পাবলিক গবেষণার ফলাফলের মধ্যে, প্রিপ্রিন্টের চিত্র 1-এ, যন্ত্রটিকে শুধুমাত্র 'ডিভাইস' বলা হয়েছে, এবং সংশ্লিষ্ট 2021 জার্নাল নিবন্ধে, ডার্ক আইস-এর হার্ডওয়্যারের ফটো সম্পূর্ণরূপে মুছে ফেলা হয়েছে। গাঢ় বরফ 'অন্ধকার' হয়ে গেছে বলে মনে হচ্ছে।

চিত্র 5 লকহিড মার্টিনস 2019 প্রেস রিলিজ ছবি ডার্ক আইস ডিভাইসের

প্রোটোটাইপ পরিমাপ করার জন্য একটি সিন্থেটিক নাইট্রোজেন-ডোপড হীরা ব্যবহার করেছে চৌম্বক ক্ষেত্রের বৈচিত্র্য: শক্তি এবং দিক. ন্যাশনাল ওশেনিক অ্যান্ড অ্যাটমোস্ফিয়ারিক অ্যাসোসিয়েশন দ্বারা সরবরাহ করা পৃথিবীর চৌম্বক ক্ষেত্রের মানচিত্রের সাথে আচ্ছাদিত হলে, প্রোটোটাইপটি পৃথিবীর অবস্থানের তথ্য তৈরি করে। এই প্রযুক্তি সম্ভাব্যভাবে এমন পরিস্থিতিতে সমর্থন করবে যখন GPS উপলব্ধ ছিল না বা অন্যথায় চ্যালেঞ্জিং পরিস্থিতিতে। ডার্ক আইস দলের প্রিপ্রিন্ট এবং প্রকাশিত কাগজপত্র অনুসারে, হীরার রাসায়নিক বাষ্প জমা (CVD) উত্পাদন প্রক্রিয়া তদন্ত সফল হয়েছে উদ্ভাস এবং পোড়ানো কোয়ান্টাম-টেক মানের এনভি হীরা উত্পাদন সমর্থন করার পদ্ধতি।

আজ, উন্নয়ন ফোকাস মধ্যে হীরে NV গবেষণার ক্ষেত্র হল এই ধরনের হীরা তৈরির উন্নতি এবং রিডআউট বিশ্বস্ত প্রযুক্তি উন্নত করা।

ব্যাপকভাবে বর্ণিত হিসাবে আচার্ড এট আল, 2020 পর্যালোচনা: এনভি কেন্দ্রগুলির সাথে সিভিডি হীরা একক স্ফটিক, কোয়ান্টাম-গ্রেডের হীরা তৈরির জন্য CVD-এর প্রধান সুবিধা হল বিভিন্ন ডোপিং এবং কম্পোজিশনের স্তুপীকৃত স্তরগুলিকে গতিশীল এবং খুব নমনীয় উপায়ে ইঞ্জিনিয়ার করার ক্ষমতা যা স্কেল করতে পারে। পর্যালোচনাটি ম্যাগনেটোমেট্রি সহ অ্যাপ্লিকেশনের উপর নির্ভরশীল সেরা প্রক্রিয়াগুলি উপস্থাপন করে। ডার্ক আইস টিম দ্বারা বাস্তবায়িত ∼10-15 পিপিএম, কোয়ান্টাম-টেক শাসনের প্রয়োজন অভিযোজিত বৃদ্ধির অবস্থা যা উচ্চ ডোপিং দক্ষতার জন্য অনুমতি দেয়, যখন স্ফটিক গুণমান সংরক্ষণ করে। এডমন্ডস এট আল, 2021 ফলাফল আরও একটি ম্যাগনেটোমিটারের জন্য সীমিত সংবেদনশীলতার কারণ চিহ্নিত করেছে।  হিমাদ্রি চ্যাটার্জির 2021 পিএইচডি থিসিস অন্যান্য হীরার নমুনার সাথে একটি এলিমেন্ট-6/ডার্ক আইস-প্রসেস ডায়মন্ড ব্যবহার করেছে এবং এতে চৌম্বক ক্ষেত্র সনাক্তকরণ সংবেদনশীলতা প্রদর্শন করেছে ~100 nT/Hz^1/2 শাসন, IR শোষণ ম্যাগনেটোমেট্রি ব্যবহার করে। তিনি সিস্টেমের সংবেদনশীলতা দশের মধ্যে পৌঁছানোর জন্য উন্নতির একটি তালিকা প্রদান করেন pT/Hz^1/2 অন্যান্য গবেষকদের সংবেদনশীলতা। তার থিসিস এবং আচার্ড এট আল রিভিউ সম্প্রদায়ের গবেষণা প্রচেষ্টার বর্ণনা খুঁজে পাওয়ার জন্য ভাল উত্স।

যদিও ডার্ক আইস এর অন্তর্ধান এই ধরনের ম্যাগনেটোমিটারের প্রযুক্তিগত কার্যকারিতা সম্পর্কে সংবাদ সম্পর্কিত হতে পারে, চিন্তা করবেন না। এই নোটটি আপনাকে আশ্বস্ত করবে যে ডায়মন্ড ম্যাগনেটোমিটারে NV অগ্রগতি চলছে।

Amara Graps, Ph.D. একজন আন্তঃবিভাগীয় পদার্থবিজ্ঞানী, গ্রহ বিজ্ঞানী, বিজ্ঞান যোগাযোগকারী এবং শিক্ষাবিদ এবং সমস্ত কোয়ান্টাম প্রযুক্তির বিশেষজ্ঞ।