Kvantmagnetomeetrid: inimmaailmas navigeerimine

Kui kvanttehnoloogia ei saa muuta meie inimelu tervislikumaks, jõukamaks ja nauditavamaks, siis mis on selle väärtus? Need inimvaldkonna kvanttehnoloogia kasutusjuhtumid: Ajud, tsivilisatsioonja GPS-vaba reisimine, proovige senisest suurema tundlikkusega ja hõlpsamini kasutatavaid magnetvälju.

Magnetilise B-välja ulatus, mida me täna uurime, on 1pT – 1fT. Vaata joonist 1 Maa magnetväli amplituud (10^-4 T) on ~1000 korda suurem kui keskkonnamüra (10^-7-10^-9 T) ja ~100 miljonit korda suurem kui magnetväljad, mis tekivad peanahas närvivoolude poolt. magnetoentsefalograafia (MEG)

Joonis 1. Suure tundlikkusega magnetväljaanduri tehnoloogia slaidist 11, of David Pappas (NIST) õpetus Ameerika Füüsika Seltsi koosolekul APS 2008. aasta märtsis.

Bennett jt, 2021. aasta ülevaade: Täppismagnetomeetrid kosmoserakenduste jaoks kommenteeritud joonisel 2 on näidatud meie huviala. Punases ristkülikus näeme, et andurid liiguvad väiksematele suurustele, täpsemale eraldusvõimele ja väiksemale energiavajadusele. Meie kasutusjuhtude jaoks pakuvad erilist huvi järgmised neli:

• NV = lämmastiku vakantsus teemandis (vt IQT: Quantum Diamond defitsiit ja varad);
• AVC = aatomi auruelement: klaaselement, mis sisaldab 400 K leelise aatomite auru, joondab laservalgustuse korral oma pöörlemisi. Magnetvälja olemasolul ilmneb uuesti edastatava valguse polarisatsiooni või amplituudi muutus (Bennett et al’s, 3.1, jaotis 2021);
• SERF = Spin Exchange Relaxation-Free: nagu AVC, kuid kõrgemal temperatuuril tihedam aur, mille tulemuseks on suurem tundlikkus (Bennett et al’s, 3.1 Review jaotis 2021); ja

kalmaar = ülijuhtivad kvantinterferentsiseadmed; tugev 1960. aastate keskpaiga tehnoloogia

Joonis 2. OM = optomehaaniline, NV = NV-keskused teemandis, aatomiauruelement + SERF  = lõksu jäänud aatomi kvanttehnoloogia, SQUID – SQUID (ülijuhtiv kvanthäireseade), Bennetti jt, 2021. aasta ülevaade: Täppismagnetomeetrid kosmoserakenduste jaoks  

Seoses OM = Optomhaaniline: see on rikkalik teema, mis tuleb tulevikus eraldi kirjutada. Kui olete OM-i uudishimulik, vaadake jaotist 3.2 väljaandes Bennett et al., 2021 Review, lisateavet Li et al., 2021 Õõnsuse optomehaaniline andur.

Ajud
Magnetoentsefalograafia (MEG) on mitteinvasiivne neurofüsioloogiline tehnika, mis mõõdab aju neuronaalse aktiivsuse poolt tekitatud magnetvälju. MEG on otsene, kõrgema ajalise eraldusvõimega: ~ms ja kõrgema ruumilise eraldusvõimega: ~mm, kui kaudne mõõtmised, nagu fMRI, PET ja SPECT.

MEG-de kullastandard on praegu SQUID, kuid see standard hakkas 2018. aastal üle minema aatomi aururakkude kvant (rabandus) tehnoloogia; eelkõige selleks optiliselt pumbatavad magnetomeetrid (OPM)Koos Boto jt, 2018. aasta uus MEG-süsteem. Kuigi SQUID-anduritel on femtotesla (fT) tundlikkus, on SQUID-anduritel mõned negatiivsed küljed: 1) krüogeensed jahutusnõuded, 2) jäik, patsiendi pea liikumine ~500 kg seadme sees, 3) paindumatus erineva pea suuruse suhtes. Lastele on SQUID-andurite MEG-id eriti sobimatud.

Boto jt 2018. aasta MEG-OPM prototüübi süsteem käsitles neid negatiivseid ~ 1 kg kohandatud kiivriga, kuhu oli paigaldatud 13 OPM andurit. Iga andur oli 3x3x3 mm³, ⁸⁷Rb-auruga täidetud ja kuumutatud komponent ~150C, kiivri kehatemperatuuriga. Kiiver oli 3D-prinditud skanner, mis oli mõeldud patsiendi pea jaoks, kasutades anatoomilist MRI-skannimist. Magnetvälja näitas fotodioodiga tuvastatav valguse läbilaskvuse langus pärast 795 nm ringpolariseeritud laserkiirt, mis spin-polariseeris raku Rb aatomid.

Feys jt, mai 2022 töö: Peanaha optiliselt pumbatavad magnetomeetrid versus krüogeenne magnetoentsefalograafia kooliealiste laste epilepsia diagnostiliseks hindamiseks täiustab ülaltoodut 32 anduriga, mida on testitud idiopaatilise või refraktaarse fokaalse epilepsiaga pediaatriliste patsientidega. Uurimise eesmärk oli tuvastada interiktaalsed epilepsialahendused (IED) ja võrrelda MEG-OPM andmeid MEG-SQUID andmetega. Feys jt 2022. aasta töö näitas seda MEG-OPM on ette nähtud sarnane tundlikkus: 1-3pT/Hz^1/2, kuid suurem IED amplituud ja suurem signaali-müra suhe kui tavalistel MEG-SQUID-idel.  Joonis 3 näitab eksperimentaalset seadistust.

Joonis 3 Eksperimentaalne seadistus MEG IED mõõtmiseks OPM versus SQUID (4^th joonis) alates Feys jt, 2022.

MEG-i uurimisvaldkond on aktiivne uute lähenemisviisidega, mis rakendavad paindlikke OPM-i ja SERF-i disainilahendusi. Pilguheit eesootavast on näha rakenduse kasutusjuhtudel Abstraktne raamat Euroopa Tänane Noise Tomorrow’s Signal 2019 töötuba.

Tsivilisatsioonid
Arheoloogilise magnetvälja kaardistamise kullastandard on Ka SQUID tehnoloogia. Kõrgetasemeline näide, mis avastas pealinna ajaloolise ulatuse: Mongoli ajastu Karakorum, oli avaldatud Bemmann jt, 2021, eelmise aasta novembris, juhtpositsioonil loodus. Ajakirjas kuvati eksootilise välimusega välifoto, mis sisaldas vankrit, mis vedas krüooniliselt jahutatud SQUIDide komplekti, mida tõmbas maastikusõiduk. Miks peaks loodus esile tõstma teadustulemust, mis põhineb SQUIDil, mis on 1960. aastate keskpaiga tehnoloogia? Intriig võitis päeva.

Soovitan arheoloogilistel magnetkaardistajatel kaaluda geofüüsika lähenemisviisi eeliseid droonide kasutamisel. Märksõnaotsinguga: UAV magnetvälja kaardistamine, avastad droonile paigaldatud, magnetomeetrid, mis põhinevad aatomi auruelemendid mis on ligikaudne SQUID-andurite magnetvälja voo tundlikkus: suurusjärgus mitu pT/Hz^1/2. Lisaks uued töörežiimid aatomiauruelementidele, nt valguse nihkega hajutatud Mzon välja töötatud, mis suurendaks veelgi magnetomeetri tundlikkust.

Kaaluge neid eeliseid:
1) Tõhusam andmete kogumine ja töötlemine, 2) madalamad põllukulud, 3) juurdepääs raskesti ligipääsetavatele või kõrge riskiga piirkondadele, 4) suurem töötajate ohutus, 5) UAV integreerimine teiste geofüüsikaliste anduritegaja 6) krüostaate pole vaja. Puuduseks võrreldes SQUIDiga on skalaarne, selle asemel vektor, magnetvoo mõõtmine. Kuid GPS-i inertsiaalsed andurid ja kõrge diskreetimissagedus võivad pakkuda kaardistamisvõimalusi. See 21-minutiline video ettevõttest Geometrics, millest võtsin kaadri joonise 4 jaoks, näitab selline süsteem valdkonnas.

Joonis 4 Geomeetria video kaadrihaaramine, mis näitab UAV magnetvälja kaardistamine

GPS-vaba reisimine

Kus on Tume jää? Alustame seda jaotist mõistatusega. Lockheed Martin investeeris selle arendamisse märkimisväärseid ressursse NV teemantmagnetomeetris prototüüp, koos meeskonnaga (juhiks M.J. DiMario), an Element-6 partnerlus teemantide tootmiseks, 21i patendid, Dark Ice testid ja tulevikuplaanid, avalik ajakirjandus (mis viis sadu rahvusvahelisi ajakirjandusartikleid), Tume jää kaubamärk ja logo rakendused, uuring eeltrükk (Edmonds et al, 2020) ja avaldamine (Edmonds jt, 2021).

Siiski ei täitnud Lockheed Martin kunagi oma logorakenduse taotlust ja ettevõte ei esitanud USPTO-le kunagi kaubamärgi kasutusavaldust (SOU). Seetõttu loobuti logost ja kaubamärgist (suur tänu D. Barnesile seaduslikkuse mõistmise eest). Dark Ice meeskonna juht lahkus Lockheed Martinist 2020. aastal, et asutada oma ettevõte. Avalikest uurimistulemustest on eeltrüki joonisel 1 instrumendi nimetus vaid ‘Seade’ ning vastavas 2021. aasta ajakirjaartiklis on Dark Ice’i riistvara foto üldse kustutatud. Näib, et Dark Ice on muutunud tumedaks.

Joonis 5 Lockheed Martin 2019. aasta pressiteate foto seadmest Dark Ice

Prototüübis kasutati mõõtmiseks sünteetilist lämmastikuga legeeritud teemanti magnetvälja variatsioonid: tugevus ja suund. Kui prototüüp oli kaetud Maa magnetvälja kaartidega, mille tarnib National Oceanic and Atmospheric Association, andis prototüüp teavet Maa asukoha kohta. See tehnoloogia võib potentsiaalselt toetada olukordi, kus GPS pole saadaval või muudes keerulistes tingimustes. Dark Ice meeskonna eeltrükiste ja avaldatud paberite kohaselt on teemandi oma keemiline aurustamine-sadestamine (CVD) tootmisprotsessi uurimine õnnestus kiiritamine ja anniilimine protseduurid kvanttehnoloogilise kvaliteediga NV teemantide tootmise toetamiseks.

Tänapäeval on arendusfookus NV teemandis uurimisvaldkond on selliste teemantide tootmise ja lugemistäpsuse tehnoloogia parandamine.

Nagu on kirjeldatud terviklikus Achard jt, 2020 Vaadatud: CVD teemant monokristallid NV keskustega, on CVD peamised eelised kvantkvaliteediga teemantide valmistamisel võime kujundada erineva dopingu ja koostisega virnastatud kihte dünaamilisel ja väga paindlikul viisil, mida saab skaleerida. Ülevaade esitab parimad rakendusest sõltuvad protsessid, sealhulgas magnetomeetria jaoks. Dark Ice meeskonna poolt rakendatud kvanttehnoloogia režiim ~10–15 ppm nõuab kohandatud kasvutingimused, mis võimaldavad kõrget dopingutõhusust, säilitades samal ajal kristallilise kvaliteedi. Edmondsi jt 2021. aasta tulemused tuvastasid veelgi magnetomeetri piiravad tundlikkuse tegurid.  Himadri Chatterjee 2021. aasta doktoritöö kasutas Element-6/Dark Ice-protsessi teemanti koos teiste teemandiproovidega ja demonstreeris magnetvälja tuvastamise tundlikkust ~100 nT/Hz^1/2 režiimis, kasutades IR-neeldumismagnetomeetriat. Ta esitas täiustuste loendi, et süsteemi tundlikkus ulatuks kümnetesse pT/Hz^1/2 teiste teadlaste tundlikkus. Tema väitekiri ja Achardi jt ülevaade on head allikad kogukonna uurimistöö kirjelduste leidmiseks.

Kuigi Dark Ice'i kadumine võib olla murettekitav selliste magnetomeetrite tehnilise elujõulisuse kohta, ärge muretsege. See märkus peaks teile kinnitama, et teemantmagnetomeetri NV edenemine liigub edasi.

Amara Graps, Ph.D. on interdistsiplinaarne füüsik, planetaarteadlane, teadussuhtleja ja koolitaja ning kõigi kvanttehnoloogiate ekspert.