Quantum Magnetometers: Navigating Human Realms

Εάν μια κβαντική τεχνολογία δεν μπορεί να κάνει τις ανθρώπινες ζωές μας πιο υγιείς, πιο πλούσιες και πιο ευχάριστες, τότε ποια είναι η αξία της; Αυτές οι περιπτώσεις χρήσης κβαντικής τεχνολογίας στο ανθρώπινο βασίλειο: Εγκέφαλοι, Πολιτισμός, να Ταξίδια χωρίς GPS, ανιχνεύστε μαγνητικά πεδία με μεγαλύτερες ευαισθησίες και ευκολία στη χρήση από πριν.

Το εύρος του μαγνητικού πεδίου Β που διερευνούμε σήμερα είναι 1pT — 1fT. Βλέπε Εικ. 1. Το Το μαγνητικό πεδίο της Γης πλάτος (10^-4 Τ) είναι ~ 1000 φορές μεγαλύτερο από περιβαλλοντικό θόρυβο (10^-7-10^-9 T), και ~100 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερο από τα μαγνητικά πεδία που δημιουργούνται στο τριχωτό της κεφαλής από τα νευρικά ρεύματα στο μαγνητοεγκεφαλογραφία (MEG)

Εικόνα 1. Από τη διαφάνεια 11 της τεχνολογίας αισθητήρα μαγνητικού πεδίου υψηλής ευαισθησίας, από Το φροντιστήριο του David Pappas (NIST). στη Συνάντηση Μαρτίου 2008 APS της συνάντησης της American Physical Society.

Bennett et al's, 2021 κριτική: Μαγνητόμετρα Ακριβείας για Αεροδιαστημικές Εφαρμογές στο σχολιασμένο Σχ. 2 δείχνει την περιοχή ενδιαφέροντός μας. Στο κόκκινο ορθογώνιο, βλέπουμε ότι οι αισθητήρες μετακινούνται σε: μικρότερα μεγέθη, πιο ακριβή ανάλυση και μικρότερες απαιτήσεις ισχύος. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τις περιπτώσεις χρήσης μας, είναι αυτές οι τέσσερις:

• NV = κενή θέση αζώτου στο διαμάντι (βλ. IQT: Κβαντικά ελλείμματα και περιουσιακά στοιχεία διαμαντιών);
• AVC = ατομική κυψέλη ατμού: Μια γυάλινη κυψέλη που συγκρατεί ατμούς 400 K ατόμων αλκαλίου, μετά τον φωτισμό με λέιζερ, θα ευθυγραμμίσει τις περιστροφές της. Εάν υπάρχει μαγνητικό πεδίο, εμφανίζεται μια αλλαγή πόλωσης ή πλάτους στο αναμεταδιδόμενο φως (ενότητα 3.1 στο Bennett et al's, 2021).
• ΔΟΥΛΟΠΑΡΟΙΚΟΣ = Χαλάρωση χωρίς περιστροφή: όπως το AVC, αλλά πυκνότερος ατμός σε υψηλότερη θερμοκρασία, που οδηγεί σε υψηλότερη ευαισθησία (ενότητα 3.1 στο Bennett et al's, 2021 Review). και

ΚΑΛΑΜΑΡΙ = υπεραγώγιμες συσκευές κβαντικής παρεμβολής. στιβαρή τεχνολογία στα μέσα της δεκαετίας του 1960

Εικόνα 2. OM= οπτομηχανικό, NV = κέντρα NV σε διαμάντι, Atomic Vapor Cell + SERF = παγιδευμένη κβαντική τεχνολογία ατόμου, SQUID – SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), από τους Bennett et al's, 2021 Review: Μαγνητόμετρα Ακριβείας για Αεροδιαστημικές Εφαρμογές  

Σχετικά με OM = Οπτομηχανική: Αυτό είναι ένα πλούσιο θέμα που θα γραφτεί ξεχωριστά στο μέλλον. Εάν είστε περίεργοι, δείτε την ενότητα 3.2 στο Bennett et al's, 2021 Review, περισσότερες λεπτομέρειες στο Li et al., 2021 Οπτομηχανική ανίχνευση κοιλότητας.

εγκέφαλοι
Μαγνητοεγκεφαλογραφία (MEG) είναι μια μη επεμβατική, νευροφυσιολογική τεχνική που μετρά τα μαγνητικά πεδία που δημιουργούνται από τη νευρωνική δραστηριότητα του εγκεφάλου. MEG είναι κατευθύνει, με υψηλότερη χρονική ανάλυση: ~ms και υψηλότερη χωρική ανάλυση: ~mm, από έμμεσος μετρήσεις, όπως fMRI, PET και SPECT.

Το χρυσό πρότυπο για τα MEG είναι επί του παρόντος SQUID, αλλά αυτό το πρότυπο άρχισε να μετατοπίζεται το 2018 σε κβαντικό ατομικού κυττάρου ατμού (Εγκεφαλικό) τεχνολογία; ειδικότερα, να Μαγνητόμετρα με οπτική άντληση (OPM), με Boto et al, το νέο σύστημα MEG του 2018. Ενώ οι αισθητήρες SQUID έχουν ευαισθησία femtotesla (fT), οι αισθητήρες SQUID έχουν ορισμένα αρνητικά: 1) απαιτήσεις κρυογονικής ψύξης, 2) άκαμπτη κίνηση κεφαλής ασθενούς μέσα σε μονάδα ~ 500 kg, 3) ακαμψία σε διάφορα μεγέθη κεφαλής. Για παιδιατρικούς ασθενείς, τα MEG από αισθητήρες SQUID είναι ιδιαίτερα ακατάλληλα.

Οι Boto et al, το πρωτότυπο σύστημα MEG-OPM του 2018 αντιμετώπισε αυτά τα αρνητικά με ένα προσαρμοσμένο κράνος ~ 1 κιλού, όπου ήταν τοποθετημένοι 13 αισθητήρες OPM. Κάθε αισθητήρας ήταν 3x3x3 mm³, ⁸⁷Συστατικό γεμάτο με ατμό Rb και θερμαινόμενο στους ~150C, με θερμοκρασία σώματος κράνους. Το κράνος ήταν ένα τρισδιάστατο εκτυπωμένο 'scanner-cast', σχεδιασμένο για το κεφάλι του ασθενούς, χρησιμοποιώντας ανατομική μαγνητική τομογραφία. Το μαγνητικό πεδίο υποδεικνύεται από μια ανιχνεύσιμη από τη φωτοδίοδο πτώση στη μετάδοση φωτός, μετά από μια κυκλικά πολωμένη δέσμη λέιζερ 3 nm, που πόλωση σπιν των ατόμων Rb του κυττάρου.

Feys et al, Μάιος 2022 εργασία: Μαγνητόμετρα με οπτική άντληση στο τριχωτό της κεφαλής έναντι κρυογονικής μαγνητοεγκεφαλογραφίας για διαγνωστική αξιολόγηση της επιληψίας σε παιδιά σχολικής ηλικίας βελτιώνει τα παραπάνω με 32 αισθητήρες, δοκιμασμένους σε παιδιατρικούς ασθενείς, που έχουν ιδιοπαθή ή ανθεκτική εστιακή επιληψία. Ο στόχος της έρευνας ήταν η ανίχνευση των ενδιάμεσων επιληπτικών εκκενώσεων (IED) και η σύγκριση των δεδομένων MEG-OPM με δεδομένα MEG-SQUID. Οι Feys et al, η εργασία του 2022 το απέδειξε αυτό Παρέχεται MEG-OPM παρόμοια ευαισθησία: 1-3pT/Hz^1/2, αλλά υψηλότερο πλάτος IED και υψηλότερο σήμα προς θόρυβο από τα συμβατικά MEG-SQUID.  Το σχήμα 3 δείχνει την πειραματική ρύθμιση.

Εικόνα 3 Πειραματική ρύθμιση για μέτρηση MEG IED του OPM έναντι του SQUID (4^th σχήμα) από Feys et al, 2022.

Το ερευνητικό πεδίο MEG δραστηριοποιείται με νέες προσεγγίσεις που εφαρμόζουν ευέλικτα σχέδια OPM και SERF. Μια γεύση του τι είναι μπροστά μπορεί να φανεί στις περιπτώσεις χρήσης του Αφηρημένο βιβλίο του Το σημερινό εργαστήριο Noise Tomorrow's Signal 2019.

Πολιτισμοί
Το χρυσό πρότυπο για τη χαρτογράφηση του αρχαιολογικού μαγνητικού πεδίου είναι Επίσης Τεχνολογία SQUID. Ένα παράδειγμα υψηλού προφίλ, που ανακάλυψε την ιστορική έκταση της πρωτεύουσας: το Karakorum της Μογγολικής Εποχής, ήταν δημοσιεύθηκε από Bemmann et al, 2021, τον περασμένο Νοέμβριο, με πρωταγωνιστή Φύση. Το περιοδικό εμφάνιζε μια φωτογραφία αγρού με εξωτική εμφάνιση, η οποία περιελάμβανε ένα βαγόνι που μετέφερε ένα σετ από κρυονικά ψυγμένα SQUID που τραβήχτηκαν από ένα όχημα εκτός δρόμου. Γιατί να τονίσει η Φύση ένα επιστημονικό αποτέλεσμα που βασίζεται στο SQUID, το οποίο είναι η τεχνολογία των μέσων της δεκαετίας του 1960; Η ίντριγκα κέρδισε την ημέρα.

Προτείνω στους αρχαιολογικούς μαγνητικούς χαρτογράφους να εξετάσουν τα οφέλη της γεωφυσικής προσέγγισης για τη χρήση drones. Με αναζήτηση λέξεων-κλειδιών: Χαρτογράφηση μαγνητικού πεδίου UAV, θα ανακαλύψετε μαγνητόμετρα τοποθετημένα σε drone, με βάση ατομικά κύτταρα ατμού που προσεγγίζουν την ευαισθησία ροής μαγνητικού πεδίου των αισθητήρων SQUID: της τάξης πολλών pT/Hz^1/2. Επιπλέον, νέοι τρόποι λειτουργίας για ατομικές κυψέλες ατμού, όπως π.χ φως-μετατόπιση-διασπαρμένος Mz, έχουν αναπτυχθεί, που θα αύξανε περαιτέρω την ευαισθησία του μαγνητομέτρου.

Εξετάστε αυτά τα πλεονεκτήματα:
1) Αποτελεσματικότερη συλλογή και επεξεργασία δεδομένων, 2) χαμηλότερο κόστος πεδίου, 3) πρόσβαση σε δυσπρόσιτες περιοχές ή περιοχές υψηλού κινδύνου, 4) μεγαλύτερη ασφάλεια των εργαζομένων, 5) Ενσωμάτωση UAV με άλλους γεωφυσικούς αισθητήρες, και 6) δεν χρειάζονται κρυοστατικά. Ένα μειονέκτημα σε σχέση με το SQUID είναι το βαθμωτό μέγεθος, αντί διάνυσμα, μέτρηση μαγνητικής ροής. Ωστόσο, οι αισθητήρες αδράνειας GPS και ο υψηλός ρυθμός δειγματοληψίας μπορούν να παρέχουν δυνατότητες χαρτογράφησης. Αυτό το βίντεο διάρκειας 21 λεπτών από το Geometrics, από το οποίο άρπαξα ένα πλαίσιο για το Σχ. 4, καταδεικνύει ένα τέτοιο σύστημα στο πεδίο.

Εικόνα 4 Μια λήψη καρέ από ένα βίντεο Geometrics, το οποίο καταδεικνύει Χαρτογράφηση μαγνητικού πεδίου UAV

Ταξίδια χωρίς GPS

Πού είναι Σκοτεινός πάγος? Ξεκινάμε αυτή την ενότητα με ένα μυστήριο. Η Lockheed Martin διέθεσε σημαντικούς πόρους για την ανάπτυξη του NV σε μαγνητόμετρο διαμαντιού πρωτότυπο, με μια ομάδα (με επικεφαλής τον MJ DiMario), ένα Σύμπραξη στοιχείου 6 για την κατασκευή διαμαντιών, Διπλώματα ευρεσιτεχνίας 21, Δοκιμές Dark Ice και μελλοντικά σχέδια, δημόσιος τύπος (που οδήγησε σε εκατοντάδες διεθνή έντυπα), Dark Ice σήμα κατατεθέν και σε έναν λογότυπο εφαρμογές, μια έρευνα προεκτύπωση (Edmonds et al, 2020) και δημοσίευση (Edmonds, et al, 2021).

Ωστόσο, η Lockheed Martin δεν ακολούθησε ποτέ το αίτημα εφαρμογής λογότυπου και η εταιρεία δεν παρείχε ποτέ μια «δήλωση χρήσης» εμπορικού σήματος (SOU) στον USPTO. Ως εκ τούτου, το λογότυπο και το εμπορικό σήμα απορρίφθηκαν (πολλές ευχαριστίες στον D. Barnes για την κατανόηση της νομιμότητας). Ο αρχηγός της ομάδας του Dark Ice άφησε τη Lockheed Martin το 2020, για να δημιουργήσει τη δική του εταιρεία. Από τα αποτελέσματα της δημόσιας έρευνας, στο Σχήμα 1 της προεκτύπωσης, το όργανο ονομάζεται μόνο «Συσκευή» και στο αντίστοιχο άρθρο του περιοδικού του 2021, η φωτογραφία του υλικού του Dark Ice έχει διαγραφεί εντελώς. Το Dark Ice φαίνεται να έχει γίνει «Σκοτεινό».

Εικόνα 5 Ο Lockheed Martin's Φωτογραφία δελτίου τύπου 2019 της συσκευής Dark Ice

Το πρωτότυπο χρησιμοποίησε ένα συνθετικό διαμάντι με πρόσμιξη αζώτου για τη μέτρηση του παραλλαγές μαγνητικού πεδίου: δύναμη και κατεύθυνση. Όταν επικαλύπτεται με χάρτες του μαγνητικού πεδίου της Γης, που παρέχονται από την Εθνική Ένωση Ωκεανών και Ατμόσφαιρας, το πρωτότυπο παρήγαγε πληροφορίες για τη θέση της Γης. Αυτή η τεχνολογία θα μπορούσε ενδεχομένως να υποστηρίξει καταστάσεις όπου το GPS δεν ήταν διαθέσιμο ή σε άλλες δύσκολες συνθήκες. Σύμφωνα με την προεκτύπωση και τις δημοσιευμένες εργασίες της ομάδας Dark Ice, του διαμαντιού χημική εναπόθεση ατμών (CVD) η διαδικασία κατασκευής ήταν επιτυχής στον έλεγχο ακτινοβολία και ξεπύρωμα διαδικασίες για την υποστήριξη της κατασκευής διαμαντιών ποιότητας κβαντικής τεχνολογίας NV.

Σήμερα, το επίκεντρο της ανάπτυξης στο NV σε διαμάντι Το ερευνητικό πεδίο είναι η βελτίωση της κατασκευής τέτοιων διαμαντιών και η βελτίωση των τεχνολογιών πιστότητας ανάγνωσης.

Όπως περιγράφεται στην περιεκτική Achard et al, 2020 κριτική: Μονοί κρύσταλλοι διαμαντιών CVD με κέντρα NV, τα κύρια πλεονεκτήματα του CVD για την κατασκευή διαμαντιών κβαντικής ποιότητας είναι η ικανότητα δημιουργίας στοιβαγμένων στρωμάτων διαφορετικού ντόπινγκ και σύνθεσης με δυναμικό και πολύ ευέλικτο τρόπο που μπορεί να κλιμακωθεί. Η Ανασκόπηση παρουσιάζει τις καλύτερες διαδικασίες που εξαρτώνται από την εφαρμογή, συμπεριλαμβανομένης της μαγνητομετρίας. Το ~ 10-15 ppm, καθεστώς κβαντικής τεχνολογίας, που εφαρμόζεται από την ομάδα Dark Ice, απαιτεί προσαρμοστεί συνθήκες ανάπτυξης που επιτρέπουν υψηλή απόδοση ντόπινγκ, διατηρώντας παράλληλα την κρυσταλλική ποιότητα. Τα αποτελέσματα των Edmonds et al, 2021 προσδιόρισαν περαιτέρω τους περιοριστικούς παράγοντες ευαισθησίας για ένα μαγνητόμετρο.  Διδακτορική διατριβή του Himadri Chatterjee 2021 χρησιμοποίησε ένα διαμάντι επεξεργασίας Element-6/Dark Ice με άλλα δείγματα διαμαντιών και απέδειξε ευαισθησίες ανίχνευσης μαγνητικού πεδίου στο ~100 nT/Hz^1/2 καθεστώς, χρησιμοποιώντας μαγνητομετρία απορρόφησης υπερύθρων. Παρείχε μια λίστα με βελτιώσεις ώστε η ευαισθησία του συστήματος να φτάσει τις δεκάδες pT/Hz^1/2 ευαισθησία άλλων ερευνητών. Η διατριβή του και η Ανασκόπηση των Achard et al είναι καλές πηγές για να βρείτε περιγραφές των ερευνητικών προσπαθειών της κοινότητας.

Αν και η εξαφάνιση του Dark Ice μπορεί να αφορά νέα σχετικά με την τεχνική βιωσιμότητα τέτοιων μαγνητομέτρων, μην ανησυχείτε. Αυτή η σημείωση θα πρέπει να σας καθησυχάσει ότι η πρόοδος NV στο μαγνητόμετρο διαμαντιών συνεχίζεται.

Amara Graps, Ph.D. είναι διεπιστημονικός φυσικός, πλανητολόγος, επιστήμονας επικοινωνίας και εκπαιδευτής και ειδικός σε όλες τις κβαντικές τεχνολογίες.