Kvantemagnetometre: Navigering i menneskelige verdener

Hvis en kvanteteknologi ikke kan gøre vores menneskeliv sundere, rigere og mere behageligt, hvad er dens værdi så? Disse kvanteteknologiske anvendelsescases i menneskeriget: Hjerner, civilisationog GPS-fri rejse, sonde magnetiske felter med større følsomhed og brugervenlighed end før.

Rækkevidden af ​​det magnetiske B-felt, som vi sonderer i dag, er 1pT ​​- 1fT. Se fig. 1. Den Jordens magnetfelt amplitude (10^-4 T) er ~1000 gange større end miljøstøj (10^-7-10^-9 T), og ~100 millioner gange større end de magnetiske felter, der genereres i hovedbunden af ​​neurale strømme i magneto-encefalografi (MEG)

Figur 1. Fra High Sensitivity Magnetic Field Sensor Technology slide 11, af David Pappas (NIST)'s tutorial ved APS 2008 marts-mødet i American Physical Society-mødet.

Bennett et al's, 2021 anmeldelse: Præcisionsmagnetometre til rumfartsapplikationer i den kommenterede Fig. 2 viser vores interesseområde. I det røde rektangel ser vi, at sensorer bevæger sig til: mindre størrelser, mere præcis opløsning og mindre strømbehov. Af særlig interesse for vores brugstilfælde er disse fire:

• NV = nitrogen ledig stilling i diamant (se IQT: Kvantediamantunderskud og -aktiver);
• AVC = atomær dampcelle: En glascelle, der indeholder en 400K damp af alkaliatomer, vil ved laserbelysning justere sine spins. Hvis et magnetfelt er til stede, fremkommer en polarisering eller amplitudeændring i det gentransmitterede lys (afsnit 3.1 i Bennett et al's, 2021);
• SERF = Spin Exchange Relaxation-Free: ligesom AVC, men tættere damp ved en højere temperatur, hvilket resulterer i en højere følsomhed (afsnit 3.1 i Bennett et al's, 2021 Review); og

BLÆKSPRUTTE = superledende kvanteinterferensanordninger; robust teknologi fra midten af ​​1960'erne

Figur 2. OM= optomekanisk, NV = NV centre i diamant, Atomic Vapor Cell + SERF = fanget atom kvanteteknologi, SQUID – SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), fra Bennett et al's, 2021 Review: Præcisionsmagnetometre til rumfartsapplikationer  

Vedrørende OM = Optomekanisk: Dette er et rigt emne, der skal skrives separat i fremtiden. Hvis du er OM-nysgerrig, se afsnit 3.2 i Bennett et al's, 2021 Review, yderligere detaljer i Li et al., 2021 Optomekanisk hulrumsføling.

Brains
Magneto-encefalografi (MEG) er en ikke-invasiv, neurofysiologisk teknik, der måler de magnetiske felter, der genereres af neuronal aktivitet i hjernen. MEG er direkte, med højere tidsmæssig opløsning: ~ms, og højere rumlig opløsning: ~mm, end indirekte målinger, såsom fMRI, PET og SPECT.

Guldstandarden for MEG'er er i øjeblikket SQUID, men den standard begyndte at skifte i 2018 til atomare dampcelle kvante (slag) teknologi; især til optisk pumpede magnetometre (OPM'er), med Boto et al, 2018's nye MEG-system. Mens SQUID-sensorer har femtotesla (fT)-følsomhed, har SQUID-sensorerne nogle negative: 1) krav til kryogen afkøling, 2) stiv patient-hoved-bevægelse inde i en ~500 kg enhed, 3) ufleksibel til forskellige hovedstørrelser. Til pædiatriske patienter er MEG'er af SQUID-sensorer særligt uegnede.

Boto et al., 2018's MEG-OPM-prototypesystem adresserede disse negativer med en ~1 kg tilpasset hjelm, hvor 13 OPM-sensorer var monteret. Hver sensor var en 3x3x3 mm³, ⁸⁷Rb-dampfyldt og opvarmet komponent ved ~150C, med hjelm kropstemperatur. Hjelmen var en 3D-printet 'scanner-cast', designet til patientens hoved ved hjælp af en anatomisk MR-scanning. Det magnetiske felt blev angivet ved et fotodiode-detekterbart fald i lystransmission, efter en 795 nm, cirkulært polariseret laserstråle, spin-polariseret cellens Rb-atomer.

Feys et al, maj 2022 arbejde: Optisk pumpede magnetometre i hovedbunden versus kryogen magnetoencefalografi til diagnostisk evaluering af epilepsi hos børn i skolealderen forbedrer ovenstående med 32 sensorer, testet med pædiatriske patienter, som har idiopatisk eller refraktær fokal epilepsi. Forskningsmålet var at detektere interiktale epileptiske udledninger (IED'er) og sammenligne MEG-OPM-data med MEG-SQUID-data. Feys et al, 2022's arbejde viste det MEG-OPM leveres lignende følsomhed: 1-3pT/Hz^1/2, men højere IED-amplitude og højere signal-til-støj end konventionelle MEG-SQUID'er.  Figur 3 viser forsøgsopstillingen.

Figur 3 Eksperimentel opsætning til MEG IED-måling af OPM versus SQUID (4^th figur) fra Feys et al., 2022.

MEG-forskningsfeltet er aktivt med nye tilgange, der implementerer fleksible OPM- og SERF-design. Et glimt af, hvad der er forude, kan ses i use cases af Abstrakt bog af Dagens Støj Morgendagens Signal 2019 workshop.

civilisationer
Guldstandarden for arkæologisk magnetfeltkortlægning er også SQUID teknologi. Et højt profileret eksempel, som opdagede hovedstadens historiske udstrækning: Karakorum fra den mongolske æra, var offentliggjort af Bemmann et al., 2021, i november sidste år, med et forspring Natur. Journalen viste et eksotisk udseende feltbillede, som inkluderede en vogn med et sæt kryonisk afkølede SQUID'er, der blev trukket af et terrængående køretøj. Hvorfor vil naturen fremhæve et videnskabeligt resultat baseret på SQUID, som er teknologi fra midten af ​​1960'erne? Intrigue vandt dagen.

Jeg foreslår arkæologiske magnetiske kortlæggere at overveje fordelene ved den geofysiske tilgang til at bruge droner. Med en søgeordssøgning: UAV magnetfelt kortlægning, vil du opdage drone-monterede, magnetometre, baseret på atomare dampceller som tilnærmer magnetfeltfluxfølsomheden for SQUID-sensorer: i størrelsesordenen flere pT/Hz^1/2. Derudover nye driftsformer for atomare dampceller, som f.eks lys-skift-spredt Mz, er blevet udviklet, som yderligere ville øge magnetometerets følsomhed.

Overvej disse fordele:
1) Mere effektiv dataindsamling og -behandling, 2) lavere feltomkostninger, 3) adgang til utilgængelige eller højrisikoområder, 4) større arbejdssikkerhed, 5) UAV-integration med andre geofysiske sensorerog 6) intet behov for kryostater. En ulempe sammenlignet med SQUID er skalar, i stedet for vektor, magnetisk fluxmåling. GPS-inertialsensorer og en høj samplingshastighed kan dog give kortlægningsmuligheder. Denne 21-minutters video fra Geometrics, hvorfra jeg tog en ramme til Fig. 4, demonstrerer sådan et system i marken.

Figur 4 Et frame-grab fra en Geometrics-video, som demonstrerer UAV magnetfelt kortlægning

GPS-fri rejse

Hvor er Mørk is? Vi begynder dette afsnit med et mysterium. Lockheed Martin brugte betydelige ressourcer på at udvikle NV i diamantmagnetometer prototype, med et team (ledet af MJ DiMario), en Element-6 partnerskab til diamantfremstilling, 21 patenter, Dark Ice-tests og fremtidsplaner, offentlig presse (hvilket førte til hundredvis af internationale presseartikler), Mørk Is varemærke og en logo applikationer, en forskning fortryk (Edmonds et al, 2020) og offentliggørelse (Edmonds, et al., 2021).

Alligevel fulgte Lockheed Martin aldrig op på sin anmodning om logoansøgning, og virksomheden leverede aldrig et varemærke "erklæring om brug" (SOU) til USPTO. Derfor blev logoet og varemærket droppet (meget tak til D. Barnes for at forstå lovligheden). Teamlederen for Dark Ice forlod Lockheed Martin i 2020 for at danne sit eget firma. Af de offentlige forskningsresultater hedder instrumentet i figur 1 i fortrykket kun 'Device', og i den tilsvarende tidsskriftsartikel fra 2021 er billedet af Dark Ices hardware slettet helt. Dark Ice ser ud til at være blevet 'Mørk'.

Figur 5 Lockheed Martins 2019 pressemeddelelse foto af Dark Ice-enheden

Prototypen brugte en syntetisk nitrogen-doteret diamant til at måle magnetiske feltvariationer: styrke og retning. Når den blev overlejret med kort over Jordens magnetfelt, leveret af National Oceanic and Atmospheric Association, producerede prototypen Jordens placeringsinformation. Denne teknologi vil potentielt understøtte situationer, hvor GPS ikke var tilgængelig eller under på anden måde udfordrende forhold. Ifølge Dark Ice-holdets fortryk og offentliggjorte papirer er diamanten kemisk dampaflejring (CVD) fremstillingsprocessen lykkedes at undersøge bestråling , annealing procedurer til støtte for fremstillingen af ​​NV-diamanter af kvanteteknologisk kvalitet.

I dag er udviklingsfokus i NV i diamant forskningsområdet er at forbedre fremstillingen af ​​sådanne diamanter og at forbedre udlæsningstrogenhedsteknologier.

Som beskrevet i den omfattende Achard et al., 2020 anmeldelse: CVD diamant enkeltkrystaller med NV centre, de vigtigste fordele ved CVD til fremstilling af kvante-grade diamanter er evnen til at konstruere stablede lag af forskellig doping og sammensætning på en dynamisk og meget fleksibel måde, der kan skaleres. Gennemgangen præsenterer de bedste processer afhængig af anvendelse, herunder for magnetometri. Det kvanteteknologiske regime på ~10-15 ppm, implementeret af Dark Ice-teamet, kræver tilpasset vækstbetingelser, der giver mulighed for høj dopingeffektivitet, samtidig med at den krystallinske kvalitet bevares. Edmonds et al., 2021-resultaterne identificerede yderligere de begrænsende følsomhedsfaktorer for et magnetometer.  Himadri Chatterjees ph.d.-afhandling fra 2021 brugte en Element-6/Dark Ice-proces diamant med andre diamantprøver og demonstrerede magnetfeltdetektionsfølsomheder i ~100 nT/Hz^1/2 regime ved hjælp af IR-absorptionsmagnetometri. Han leverede en liste over forbedringer for systemets følsomhed til at nå de tiere af pT/Hz^1/2 andre forskeres følsomhed. Hans speciale og Achard et al Review er gode kilder til at finde beskrivelser af samfundets forskningsindsats.

Selvom Dark Ices forsvinden kan være angående nyheder om den tekniske levedygtighed af sådanne magnetometre, så fortvivl ikke. Denne note bør forsikre dig om, at fremskridt med NV i diamantmagnetometer går videre.

Amara Graps, ph.d. er en tværfaglig fysiker, planetforsker, videnskabsformidler og underviser og ekspert i alle kvanteteknologier.