Quantenmagnetometer: Navigieren in menschlichen Reichen

Wenn eine Quantentechnologie unser menschliches Leben nicht gesünder, wohlhabender und angenehmer machen kann, welchen Wert hat sie dann? Diese Anwendungsfälle der Quantentechnologie im menschlichen Bereich: Gehirne, Zivilisation und GPS-freies Reisen, Sondenmagnetfelder mit größerer Empfindlichkeit und einfacherer Handhabung als zuvor.

Der Bereich des magnetischen B-Feldes, den wir heute untersuchen, beträgt 1pT – 1fT. Siehe Abb. 1. Die Erdmagnetfeld Amplitude (10^-4 T) ist ~1000-mal größer als Umgebungslärm (10^-7-10^-9 T) und etwa 100 Millionen Mal größer als die Magnetfelder, die an der Kopfhaut durch neuronale Ströme erzeugt werden Magnetenzephalographie (MEG)

Abbildung 1. Aus Hochempfindliche Magnetfeldsensortechnologie Folie 11, von Tutorial von David Pappas (NIST). auf dem APS-Märztreffen 2008 der American Physical Society.

Rückblick 2021 von Bennett et al.: Präzisionsmagnetometer für Luft- und Raumfahrtanwendungen In der kommentierten Abbildung 2 ist unser Interessengebiet dargestellt. Im roten Rechteck sehen wir, dass die Sensoren immer kleiner werden, eine präzisere Auflösung haben und weniger Strom benötigen. Von besonderem Interesse für unsere Anwendungsfälle sind diese vier:

• NV = Stickstoff-Leerstelle im Diamant (siehe IQT: Defizite und Vermögenswerte von Quantendiamanten);
• AVC = Atomdampfzelle: Eine Glaszelle, die einen 400K-Dampf aus Alkaliatomen enthält, richtet bei Laserbestrahlung ihre Spins aus. Wenn ein Magnetfeld vorhanden ist, tritt eine Polarisations- oder Amplitudenänderung im erneut übertragenen Licht auf (Abschnitt 3.1 in Bennett et al., 2021);
• LEIBEIGENE = Spin Exchange Relaxation-Free: wie AVC, aber dichterer Dampf bei höherer Temperatur, was zu einer höheren Empfindlichkeit führt (Abschnitt 3.1 in Bennett et al., 2021 Review); Und

SQUID = supraleitende Quanteninterferenzgeräte; robuste Technologie aus der Mitte der 1960er Jahre

Abbildung 2. OM = optomechanisch, NV = NV-Zentren in Diamant, Atomdampfzelle + SERF = Quantentechnologie mit gefangenen Atomen, SQUID – SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), von Bennett et al., Rezension 2021: Präzisionsmagnetometer für Luft- und Raumfahrtanwendungen  

Bezüglich OM = Optomechanik: Dies ist ein umfangreiches Thema, das in Zukunft separat behandelt werden soll. Wenn Sie sich für OM interessieren, lesen Sie Abschnitt 3.2 in Bennett et al., 2021 Review, weitere Details in Li et al., 2021 Optomechanische Hohlraumsensorik.

Kopf
Magneto-Enzephalographie (MEG) ist eine nicht-invasive, neurophysiologische Technik, die die durch neuronale Aktivität des Gehirns erzeugten Magnetfelder misst. MEG ist Direkt, mit höherer zeitlicher Auflösung: ~ms und höherer räumlicher Auflösung: ~mm, als indirekte Messungen wie fMRT, PET und SPECT.

Der Goldstandard für MEGs ist derzeit SQUID, aber dieser Standard begann sich im Jahr 2018 zu ändern Atomdampfzellenquantum (AVK) Technologie; insbesondere zu Optisch gepumpte Magnetometer (OPMs), mit Boto et al., das neue MEG-System von 2018. Während SQUID-Sensoren eine Femtotesla-Empfindlichkeit (fT) aufweisen, haben die SQUID-Sensoren einige Nachteile: 1) Anforderungen an die kryogene Kühlung, 2) starre Bewegung des Patientenkopfes innerhalb einer Einheit mit ca. 500 kg, 3) Unflexibilität bei unterschiedlichen Kopfgrößen. Für pädiatrische Patienten sind MEGs von SQUID-Sensoren besonders ungeeignet.

Das MEG-OPM-Prototypsystem von Boto et al. aus dem Jahr 2018 behebt diese Nachteile mit einem ca. 1 kg schweren Spezialhelm, an dem 13 OPM-Sensoren montiert waren. Jeder Sensor war 3x3x3 mm groß³, ⁸⁷Mit Rb-Dampf gefüllte und erhitzte Komponente bei ~150 °C und Helmkörpertemperatur. Der Helm war ein 3D-gedruckter „Scanner-Abguss“, der anhand eines anatomischen MRT-Scans für den Kopf des Patienten entworfen wurde. Das Magnetfeld wurde durch einen mit einer Fotodiode erkennbaren Abfall der Lichtdurchlässigkeit angezeigt, nachdem ein zirkular polarisierter Laserstrahl von 795 nm die Rb-Atome der Zelle spinpolarisiert hatte.

Feys et al., Arbeit vom Mai 2022: Optisch gepumpte Magnetometer auf der Kopfhaut im Vergleich zur kryogenen Magnetenzephalographie zur diagnostischen Beurteilung von Epilepsie bei Kindern im schulpflichtigen Alter verbessert das oben Genannte mit 32 Sensoren, getestet mit pädiatrischen Patienten, die an idiopathischer oder refraktärer fokaler Epilepsie leiden. Das Forschungsziel bestand darin, interiktale epileptische Entladungen (IEDs) zu erkennen und die MEG-OPM-Daten mit MEG-SQUID-Daten zu vergleichen. Die Arbeit von Feys et al. aus dem Jahr 2022 hat dies gezeigt MEG-OPM bereitgestellt ähnliche Empfindlichkeit: 1-3pT/Hz^1/2, aber höhere IED-Amplitude und höheres Signal-Rausch-Verhältnis als herkömmliche MEG-SQUIDs.  Abbildung 3 zeigt den Versuchsaufbau.

Figure 3 Experimenteller Aufbau für die MEG-IED-Messung von OPM im Vergleich zu SQUID (4^th Figur) aus Feys et al., 2022.

Das MEG-Forschungsfeld ist aktiv mit neuen Ansätzen zur Umsetzung flexibler OPM- und SERF-Designs. Einen Vorgeschmack auf die Zukunft geben die Anwendungsfälle des Abstraktes Buch dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. Der heutige Workshop „Noise Tomorrow’s Signal 2019“..

Zivilisationen
Der Goldstandard für die archäologische Magnetfeldkartierung ist ebenfalls SQUID-Technologie. Ein prominentes Beispiel, das die historische Ausdehnung der Hauptstadt offenbarte: Karakorum aus der Mongolenzeit veröffentlicht von Bemmann et al., 2021, letzten November, mit einer Einführung Natur. Das Tagebuch zeigte ein exotisch aussehendes Feldfoto, auf dem ein Wagen mit einem Satz kryonisch gekühlter SQUIDs zu sehen war, der von einem Geländewagen gezogen wurde. Warum sollte die Natur ein wissenschaftliches Ergebnis hervorheben, das auf SQUID basiert, einer Technologie aus der Mitte der 1960er Jahre? Die Intrige hat den Sieg davongetragen.

Ich empfehle archäologischen Magnetkartographen, die Vorteile des geophysikalischen Ansatzes für den Einsatz von Drohnen zu berücksichtigen. Mit einer Stichwortsuche: UAV-Magnetfeldkartierung, Sie werden auf Drohnen montierte Magnetometer entdecken, basierend auf Atomdampfzellen die der Magnetfeldflussempfindlichkeit von SQUID-Sensoren nahe kommen: in der Größenordnung von mehreren pT/Hz^1/2. Darüber hinaus sind neue Betriebsmodi für Atomdampfzellen, wie z lichtverschiebungsdisperse Mzwurden entwickelt, die die Empfindlichkeit des Magnetometers weiter erhöhen würden.

Bedenken Sie diese Vorteile:
1) Effizientere Datenerfassung und -verarbeitung, 2) geringere Feldkosten, 3) Zugang zu unzugänglichen oder risikoreichen Regionen, 4) höhere Arbeitssicherheit, 5) UAV-Integration mit anderen geophysikalischen Sensorenund 6) keine Notwendigkeit für Kryostate. Ein Nachteil gegenüber SQUID ist der Skalar, Anstatt von Vektor, Messung des magnetischen Flusses. Allerdings können GPS-Trägheitssensoren und eine hohe Abtastrate Kartierungsfunktionen bieten. Dieses 21-minütige Video von Geometrics, aus dem ich ein Bild für Abb. 4 genommen habe, zeigt ein solches System im Feld.

Figure 4 Ein Framegrab aus einem Geometrisch-Video, das zeigt UAV-Magnetfeldkartierung

GPS-freies Reisen

Wo ist Dunkles Eis? Wir beginnen diesen Abschnitt mit einem Geheimnis. Lockheed Martin hat erhebliche Ressourcen in die Entwicklung gesteckt NV im Diamantmagnetometer Prototyp, mit einem Team (unter der Leitung von M.J. DiMario), einem Element-6-Partnerschaft zur Diamantherstellung, 21-Patente, Dark Ice-Tests und Zukunftspläne, öffentliche Presse (Was zu ... führte Hunderte internationale Presseartikel), Dunkles Eis Warenzeichen und einem Logo Anwendungen, eine Forschung Preprint (Edmonds et al., 2020) und Veröffentlichung (Edmonds et al., 2021).

Doch Lockheed Martin ist seinem Antrag auf Logoanmeldung nie nachgekommen, und das Unternehmen hat dem USPTO nie eine Marken-„Erklärung zur Nutzung“ (SOU) übermittelt. Daher wurden das Logo und die Marke entfernt (vielen Dank an D. Barnes für das Verständnis der Rechtmäßigkeit). Der Teamleiter von Dark Ice verließ Lockheed Martin im Jahr 2020, um sein eigenes Unternehmen zu gründen. Von den öffentlichen Forschungsergebnissen wird das Instrument in Abbildung 1 des Vorabdrucks nur als „Gerät“ bezeichnet und im entsprechenden Zeitschriftenartikel aus dem Jahr 2021 wird das Foto der Hardware von Dark Ice vollständig gelöscht. Dark Ice scheint „dunkel“ geworden zu sein.

Figure 5 Lockheed Martins Foto der Pressemitteilung 2019 des Dark Ice-Geräts

Der Prototyp verwendete einen synthetischen, mit Stickstoff dotierten Diamanten zur Messung Magnetfeldschwankungen: Stärke und Richtung. Bei Überlagerung mit Karten des Erdmagnetfelds, die von der National Oceanic and Atmospheric Association bereitgestellt wurden, lieferte der Prototyp Informationen über den Standort der Erde. Diese Technologie würde möglicherweise Situationen unterstützen, in denen GPS nicht verfügbar ist oder unter anderweitig schwierigen Bedingungen. Laut dem Vorabdruck und den veröffentlichten Papieren des Dark Ice-Teams handelt es sich um den Diamanten chemische Gasphasenabscheidung (CVD) Der Herstellungsprozess konnte erfolgreich untersucht werden Bestrahlung und Glühen Verfahren zur Unterstützung der Herstellung von NV-Diamanten in Quantentechnologiequalität.

Heute liegt der Entwicklungsschwerpunkt in der NV in Raute Ein Forschungsgebiet besteht darin, die Herstellung solcher Diamanten zu verbessern und die Auslesegenauigkeitstechnologien zu verbessern.

Wie in der ausführlichen Beschreibung beschrieben Achard et al., 2020 Bewertung: CVD-Diamant-Einkristalle mit NV-ZentrenDer Hauptvorteil von CVD bei der Herstellung von Quantendiamanten liegt in der Möglichkeit, gestapelte Schichten unterschiedlicher Dotierung und Zusammensetzung auf dynamische und sehr flexible Weise zu konstruieren und zu skalieren. Der Aufsatz stellt die besten Verfahren je nach Anwendung vor, unter anderem für die Magnetometrie. Das vom Dark Ice-Team implementierte Quantentechnologie-Regime von ∼10-15 ppm erfordert angepasst Wachstumsbedingungen, die eine hohe Dotierungseffizienz ermöglichen und gleichzeitig die kristalline Qualität bewahren. Die Ergebnisse von Edmonds et al. aus dem Jahr 2021 identifizierten außerdem die begrenzenden Empfindlichkeitsfaktoren für ein Magnetometer.  Himadri Chatterjees Doktorarbeit 2021 verwendete einen Element-6/Dark-Ice-Prozess-Diamanten mit anderen Diamantproben und demonstrierte die Empfindlichkeit der Magnetfelderkennung in diesem ~100 nT/Hz^1/2 Regime unter Verwendung der IR-Absorptionsmagnetometrie. Er lieferte eine Liste von Verbesserungen für die Empfindlichkeit des Systems, um den Zehnerbereich zu erreichen pT/Hz^1/2 Sensibilität anderer Forscher. Seine Dissertation und der Achard et al Review sind gute Quellen, um Beschreibungen der Forschungsbemühungen der Community zu finden.

Auch wenn das Verschwinden von Dark Ice besorgniserregende Neuigkeiten über die technische Machbarkeit solcher Magnetometer sein könnte, machen Sie sich keine Sorgen. Dieser Hinweis soll Ihnen versichern, dass die NV-Forschung bei Diamantmagnetometern weiter voranschreitet.

Amara Graps, Ph.D. ist ein interdisziplinärer Physiker, Planetenwissenschaftler, Wissenschaftskommunikator und Pädagoge und Experte für alle Quantentechnologien.