By Grapas Amara publicado el 26 de julio de 2022
Si una tecnología cuántica no puede hacer que nuestra vida humana sea más saludable, más rica y más placentera, ¿cuál es entonces su valor? Estos casos de uso de tecnología cuántica en el ámbito humano: Cerebros, Civilizacióny Viajes sin GPS, sondea campos magnéticos con mayor sensibilidad y facilidad de uso que antes.
El rango del campo magnético B que estamos investigando hoy es 1pT — 1fT. Ver Fig. 1. El Campo magnético de la tierra amplitud (10-4 T) es ~1000 veces más grande que ruido ambiental (10-7-10-9 T), y ~100 millones de veces más grande que los campos magnéticos generados en el cuero cabelludo por las corrientes neuronales en magnetoencefalografía (MEG)
Figura 1. De la diapositiva 11 de la tecnología de sensores de campo magnético de alta sensibilidad, de Tutorial de David Pappas (NIST) en la reunión de marzo de 2008 de la Sociedad Estadounidense de Física de APS.
Bennett et al, revisión de 2021: Magnetómetros de precisión para aplicaciones aeroespaciales En la Fig. 2 comentada se muestra nuestra área de interés. En el rectángulo rojo, vemos que los sensores se están moviendo hacia: tamaños más pequeños, resolución más precisa y menores requisitos de energía. De particular interés para nuestros casos de uso son estos cuatro:
- NV = vacante de nitrógeno en diamante (ver IQT: Déficits y activos de diamantes cuánticos);
- AVC = celda de vapor atómico: Una celda de vidrio que contiene un vapor de átomos alcalinos de 400 K, tras la iluminación láser, alineará sus espines. Si hay un campo magnético presente, aparece una polarización o un cambio de amplitud en la luz retransmitida (sección 3.1 en Bennett et al's, 2021);
- SIERVO = Spin Exchange Relaxation-Free: como AVC, pero vapor más denso a una temperatura más alta, lo que resulta en una mayor sensibilidad (sección 3.1 en Bennett et al, revisión de 2021); y
SQUID = dispositivos superconductores de interferencia cuántica; tecnología robusta de mediados de los años 1960
Figura 2. OM = optomecánico, NV = centros NV en diamante, celda de vapor atómico + SERF = tecnología cuántica de átomos atrapados, SQUID – SQUID (dispositivo de interferencia cuántica superconductora), de Bennett et al's, revisión de 2021: Magnetómetros de precisión para aplicaciones aeroespaciales
Con respecto a OM = Optomecánica: Este es un tema rico que se escribirá por separado en el futuro. Si tiene curiosidad por OM, consulte la sección 3.2 en la revisión de Bennett et al. de 2021, más detalles en Li et al., 2021. Detección optomecánica de cavidades.
Brains
Magnetoencefalografía (MEG) Es una técnica neurofisiológica no invasiva que mide los campos magnéticos generados por la actividad neuronal del cerebro. MEG es de reservas, con mayor resolución temporal: ~ms, y mayor resolución espacial: ~mm, que indirecto mediciones, como fMRI, PET y SPECT.
El estándar de oro para los MEG es actualmente SQUID, pero ese estándar comenzó a cambiar en 2018 a cuántico de celda de vapor atómico (ataque) tecnología; en particular, a Magnetómetros de bombeo óptico (OPM), con las Boto et al, nuevo sistema MEG de 2018. Si bien los sensores SQUID tienen sensibilidad femtotesla (fT), los sensores SQUID tienen algunos aspectos negativos: 1) requisitos de enfriamiento criogénico, 2) movimiento rígido de la cabeza del paciente dentro de una unidad de ~ 500 kg, 3) inflexibilidad para los diferentes tamaños de cabeza. Para pacientes pediátricos, los sensores MEG de SQUID son especialmente inadecuados.
Boto et al, el sistema prototipo MEG-OPM de 2018 abordó estos aspectos negativos con un casco personalizado de aproximadamente 1 kg, donde se montaron 13 sensores OPM. Cada sensor era de 3x3x3 mm.3, 87Componente lleno de vapor de Rb y calentado a ~150C, con la temperatura corporal del casco. El casco era un 'escáner-molde' impreso en 3D, diseñado para la cabeza del paciente, mediante una resonancia magnética anatómica. El campo magnético fue indicado por una caída en la transmisión de luz detectable por fotodiodo, después de que un rayo láser polarizado circularmente de 795 nm polarizara por espín los átomos de Rb de la célula.
Feys et al, trabajo de mayo de 2022: Magnetómetros con bombeo óptico en el cuero cabelludo versus magnetoencefalografía criogénica para la evaluación diagnóstica de la epilepsia en niños en edad escolar mejora lo anterior con 32 sensores, probados con pacientes pediátricos, que tienen epilepsia focal idiopática o refractaria. El objetivo de la investigación fue detectar descargas epilépticas interictales (DEI) y comparar los datos de MEG-OPM con los datos de MEG-SQUID. El trabajo de Feys et al, 2022 demostró que MEG-OPM proporcionado sensibilidad similar: 1-3pT/Hz1/2, pero mayor amplitud del IED y mayor relación señal-ruido que los MEG-SQUID convencionales. La Figura 3 indica la configuración experimental.
Figura 3 y XNUMX Configuración experimental para la medición de OPM versus SQUID con MEG IED (4th figura) de Feys y otros, 2022.
El campo de investigación de MEG está activo con nuevos enfoques que implementan diseños OPM y SERF flexibles. Se puede vislumbrar lo que está por venir en los casos de uso de la Libro abstracto de las Taller El Ruido de Hoy La Señal del Mañana 2019.
Civilizaciones
El estándar de oro para el mapeo arqueológico de campos magnéticos es también Tecnología CALAMAR. Un ejemplo destacado, que descubrió la extensión histórica de la capital: Karakorum de la era mongol, fue publicado por Bemmann et al, 2021, en noviembre pasado, con una ventaja en Naturaleza. La revista mostró una fotografía de campo de aspecto exótico, que incluía un carro que transportaba un conjunto de SQUIDs enfriados criónicamente y que era arrastrado por un vehículo todoterreno. ¿Por qué Nature destacaría un resultado científico basado en SQUID, que es una tecnología de mediados de los años 1960? La intriga ganó el día.
Sugiero a los cartógrafos magnéticos arqueológicos que consideren los beneficios del enfoque geofísico del uso de drones. Con una búsqueda por palabra clave: Mapeo del campo magnético del UAV, descubrirá magnetómetros montados en drones, basados en celdas de vapor atómico que se aproximan a la sensibilidad del flujo de campo magnético de los sensores SQUID: del orden de varios pT/Hz1/2. Además, nuevos modos operativos para las celdas de vapor atómico, como Mz disperso por cambio de luz, que aumentarían aún más la sensibilidad del magnetómetro.
Considere estas ventajas:
1) Recopilación y procesamiento de datos más eficiente, 2) menor costo de campo, 3) acceso a regiones inaccesibles o de alto riesgo, 4) mayor seguridad de los trabajadores, 5) Integración de UAV con otros sensores geofísicosy 6) no hay necesidad de criostatos. Una desventaja en comparación con SQUID es la escalar, En lugar de vector, Medición del flujo magnético. Sin embargo, los sensores inerciales GPS y una alta tasa de muestreo pueden proporcionar capacidades cartográficas. Este video de 21 minutos de Geometry, del cual tomé un fotograma para la Fig. 4, demuestra un sistema de este tipo en el campo.
Figura 4 y XNUMX Una captura de fotograma de un vídeo de Geometry, que demuestra Mapeo del campo magnético UAV
Viajes sin GPS
Dónde está Hielo oscuro? Comenzamos esta sección con un misterio. Lockheed Martin dedicó importantes recursos al desarrollo del NV en magnetómetro de diamante prototipo, con un equipo (dirigido por MJ DiMario), un Asociación Elemento-6 para la fabricación de diamantes, Patentes 21, Pruebas de Dark Ice y planes futuros, prensa pública (lo que llevó a cientos de artículos de prensa internacional), Hielo oscuro marca y logo aplicaciones, una investigación preprint (Edmonds et al, 2020) y publicación (Edmonds, et al, 2021).
Sin embargo, Lockheed Martin nunca dio seguimiento a su solicitud de solicitud de logotipo y la compañía nunca proporcionó una “declaración de uso” (SOU) de marca registrada a la USPTO. Por lo tanto, se eliminaron el logotipo y la marca registrada (muchas gracias a D. Barnes por comprender los aspectos legales). El líder del equipo Dark Ice dejó Lockheed Martin en 2020 para formar su propia empresa. De los resultados de la investigación pública, en la Figura 1 de la preimpresión, el instrumento solo se llama "Dispositivo", y en el artículo de revista correspondiente de 2021, la foto del hardware de Dark Ice se elimina por completo. Dark Ice parece haberse vuelto "Oscuro".
Figura 5 y XNUMX Lockheed Martin's Foto del comunicado de prensa de 2019. del dispositivo Dark Ice
El prototipo utilizó un diamante sintético dopado con nitrógeno para medir la Variaciones del campo magnético: fuerza y dirección.. Cuando se superpusieron mapas del campo magnético de la Tierra, proporcionados por la Asociación Nacional Oceánica y Atmosférica, el prototipo produjo información sobre la ubicación de la Tierra. Esta tecnología podría soportar situaciones en las que el GPS no estuviera disponible o en condiciones difíciles. Según los artículos preimpresos y publicados del equipo de Dark Ice, el diamante deposición química de vapor (CVD) El proceso de fabricación fue exitoso para sondear. irradiación y recocido procedimientos para respaldar la fabricación de diamantes NV de calidad con tecnología cuántica.
Hoy en día, el foco de desarrollo en el NV en diamante El campo de investigación es mejorar la fabricación de dichos diamantes y mejorar las tecnologías de fidelidad de lectura.
Como se describe en el completo Achard y otros, 2020 Revisión: Monocristales de diamante CVD con centros NV, las principales ventajas de CVD para fabricar diamantes de grado cuántico es la capacidad de diseñar capas apiladas de diferente dopaje y composición de una manera dinámica y muy flexible que puede escalar. La Revisión presenta los mejores procesos según la aplicación, incluida la magnetometría. El régimen de tecnología cuántica de aproximadamente 10-15 ppm, implementado por el equipo de Dark Ice, requiere adaptado condiciones de crecimiento que permiten una alta eficiencia de dopaje, preservando al mismo tiempo la calidad cristalina. Los resultados de Edmonds et al, 2021 identificaron además los factores limitantes de sensibilidad para un magnetómetro. Tesis doctoral de Himadri Chatterjee 2021 utilizó un diamante de proceso Element-6/Dark Ice con otras muestras de diamantes y demostró sensibilidades de detección de campos magnéticos en el ~100 nT/Hz1/2 régimen, utilizando magnetometría de absorción IR. Proporcionó una lista de mejoras para que la sensibilidad del sistema alcance las decenas de pT/Hz1/2 sensibilidad de otros investigadores. Su tesis y la Revisión de Achard et al son buenas fuentes para encontrar descripciones de los esfuerzos de investigación de la comunidad.
Si bien la desaparición de Dark Ice puede ser una noticia preocupante sobre la viabilidad técnica de tales magnetómetros, no se preocupe. Esta nota debería asegurarle que el progreso de NV en el magnetómetro de diamantes continúa.
Amara Graps, Ph.D. es un físico interdisciplinario, científico planetario, comunicador científico y educador y experto en todas las tecnologías cuánticas.
