مغناطیس‌سنج‌های کوانتومی: در حال حرکت در قلمروهای انسانی

اگر یک فناوری کوانتومی نمی تواند زندگی انسان ما را سالم تر، ثروتمندتر و لذت بخش تر کند، پس ارزش آن چیست؟ این موارد استفاده از فناوری کوانتومی در قلمرو انسانی: مغزها، تمدنو سفر بدون جی پی اس، میدان های مغناطیسی را با حساسیت و سهولت استفاده بیشتر از قبل بررسی کنید.

محدوده میدان B مغناطیسی که ما امروز در حال بررسی آن هستیم 1pT - 1fT است. شکل 1 را ببینید میدان مغناطیسی زمین دامنه (10^-4 T) است 1000 برابر بزرگتر نسبت به سر و صدای محیطی (10^-7-10^-9 T) و 100 میلیون برابر بزرگتر از میدان های مغناطیسی ایجاد شده در پوست سر توسط جریان های عصبی در مگنتوآنسفالوگرافی (MEG)

شکل 1. از اسلاید 11 فناوری حسگر میدان مغناطیسی با حساسیت بالا، از آموزش دیوید پاپاس (NIST). در جلسه مارس 2008 APS انجمن فیزیک آمریکا.

بنت و همکاران، بررسی 2021: مغناطیس‌سنج‌های دقیق برای کاربردهای هوافضا در شکل 2 حاشیه نویسی منطقه مورد علاقه ما را نشان می دهد. در مستطیل قرمز، می بینیم که سنسورها به سمت زیر حرکت می کنند: اندازه های کوچکتر، وضوح دقیق تر، و نیازهای انرژی کمتر. مورد توجه ویژه برای موارد استفاده ما، این چهار مورد هستند:

• NV = جای خالی نیتروژن در الماس (به IQT مراجعه کنید: کسری ها و دارایی های الماس کوانتومی);
• AVC = سلول بخار اتمی: یک سلول شیشه ای که بخار 400K از اتم های قلیایی را در خود نگه می دارد، پس از نور لیزر، اسپین های خود را تراز می کند. اگر میدان مغناطیسی وجود داشته باشد، قطبش یا تغییر دامنه در نور ارسالی مجدد ظاهر می شود (بخش 3.1 در بنت و همکاران، 2021).
• سرف = بدون ریلکسیشن تبادل چرخشی: مانند AVC، اما بخار متراکم تر در دمای بالاتر، که منجر به حساسیت بالاتر می شود (بخش 3.1 در Bennett et al's, 2021 Review). و

ماهی مرکب = دستگاه های تداخل کوانتومی ابررسانا؛ فناوری قوی اواسط دهه 1960

شکل 2. OM = اپتومکانیکی، NV = مراکز NV در الماس، سلول بخار اتمی + SERF = فناوری کوانتومی اتم به دام افتاده، SQUID – SQUID (دستگاه تداخل کوانتومی ابررسانا)، از بنت و همکاران، بررسی 2021: مغناطیس‌سنج‌های دقیق برای کاربردهای هوافضا  

با توجه OM = اپتومکانیکی: این یک مبحث غنی است که در آینده جداگانه نوشته خواهد شد. اگر کنجکاو هستید، به بخش 3.2 در بنت و همکاران، بررسی 2021، جزئیات بیشتر در لی و همکاران، 2021 مراجعه کنید. سنجش اپتومکانیکی حفره.

مغز
مغناطیسی-انسفالوگرافی (MEG) یک تکنیک نوروفیزیولوژیک غیر تهاجمی است که میدان های مغناطیسی ایجاد شده توسط فعالیت عصبی مغز را اندازه گیری می کند. MEG است مستقیم، با وضوح زمانی بالاتر: ~ms و وضوح مکانی بالاتر: ~mm، از غیر مستقیم اندازه گیری هایی مانند fMRI، PET و SPECT.

استاندارد طلایی برای MEG ها در حال حاضر SQUID است، اما این استاندارد در سال 2018 شروع به تغییر کرد به کوانتومی سلول بخار اتمی (سکته) فن آوری؛ به ویژه، به مغناطیس‌سنج‌های پمپ‌شده نوری (OPM)، با بوتو و همکاران، سیستم جدید MEG 2018. در حالی که سنسورهای SQUID دارای حساسیت femtotesla (fT) هستند، سنسورهای SQUID دارای برخی نکات منفی هستند: 1) الزامات خنک کننده برودتی، 2) سفت و سخت، حرکت سر بیمار در داخل یک واحد 500 کیلوگرمی، 3) انعطاف ناپذیری نسبت به اندازه های مختلف سر. برای بیماران اطفال، MEG های سنسور SQUID به ویژه نامناسب هستند.

بوتو و همکاران، سیستم نمونه اولیه MEG-OPM 2018 با یک کلاه ایمنی 1 کیلوگرمی که 13 سنسور OPM در آن نصب شده بود، به این موارد منفی پرداختند. هر سنسور 3x3x3 میلی متر بود³, ⁸⁷جزء پر از بخار Rb و گرم شده در دمای ~150 درجه سانتیگراد، با دمای بدن کلاه ایمنی. این کلاه یک «اسکنر-کست» با چاپ سه بعدی بود که برای سر بیمار و با استفاده از اسکن MRI آناتومیک طراحی شده بود. میدان مغناطیسی با یک افت قابل تشخیص با فوتودیود در انتقال نور، پس از یک پرتو لیزری دایره‌ای قطبی شده با طول ۷۹۵ نانومتر، اتم‌های Rb سلول را به‌صورت اسپینی پلاریزه کرد.

Feys و همکاران، می 2022 کار: مغناطیس‌سنج‌های پمپ‌شده نوری روی پوست سر در مقابل مگنتوآنسفالوگرافی کرایوژنیک برای ارزیابی تشخیصی صرع در کودکان مدرسه‌ای موارد فوق را با 32 حسگر که با بیماران کودکان مبتلا به صرع کانونی ایدیوپاتیک یا مقاوم به درمان آزمایش شده اند، بهبود می بخشد. هدف تحقیق شناسایی ترشحات صرع بین رجکتال (IED) و مقایسه داده های MEG-OPM با داده های MEG-SQUID بود. فیس و همکاران، کار 2022 این را نشان داد MEG-OPM ارائه شده است حساسیت مشابه: 1-3pT/Hz^1/2، اما دامنه IED بیشتر و سیگنال به نویز بالاتر نسبت به MEG-SQUID های معمولی.  شکل 3 تنظیمات آزمایشی را نشان می دهد.

شکل 3 راه اندازی آزمایشی برای اندازه گیری MEG IED OPM در مقابل SQUID (4^th شکل) از فیس و همکاران، 2022.

زمینه تحقیقاتی MEG با رویکردهای جدید در اجرای طرح های انعطاف پذیر OPM و SERF فعال است. نگاهی اجمالی به آنچه در پیش است را می توان در موارد استفاده از کتاب چکیده از کارگاه Noise Tomorrow's Signal 2019 امروز.

تمدنها
استاندارد طلایی برای نقشه برداری میدان مغناطیسی باستان شناسی است همچنین تکنولوژی SQUID. نمونه برجسته ای که گستره تاریخی پایتخت را کشف کرد: قراقوروم عصر مغول بود. منتشر شده توسط Bemmann و همکاران، 2021، نوامبر گذشته، با رهبری در طبیعت. این ژورنال یک عکس صحرایی با ظاهری عجیب و غریب را نمایش می داد که شامل یک واگن حامل مجموعه ای از ماهی مرکب خنک شده بود که توسط یک وسیله نقلیه خارج از جاده کشیده می شد. چرا طبیعت یک نتیجه علمی مبتنی بر SQUID، که فناوری اواسط دهه 1960 است، برجسته می کند؟ فتنه روز را برد.

من به نقشه‌برداران مغناطیسی باستان‌شناسی پیشنهاد می‌کنم مزایای رویکرد ژئوفیزیک برای استفاده از هواپیماهای بدون سرنشین را در نظر بگیرند. با جستجوی کلمه کلیدی: نقشه برداری میدان مغناطیسی پهپادبر اساس، مغناطیس‌سنج‌های نصب‌شده بر روی پهپاد را کشف خواهید کرد سلول های بخار اتمی که حساسیت شار میدان مغناطیسی سنسورهای SQUID را تقریب می‌کند: در مرتبه چند pT/Hz^1/2. علاوه بر این، حالت های عملیاتی جدید برای سلول های بخار اتمی، مانند Mz با تغییر نور پراکندهتوسعه یافته اند که حساسیت مغناطیس سنج را بیشتر می کند.

این مزایا را در نظر بگیرید:
1) جمع آوری و پردازش داده ها کارآمدتر، 2) هزینه میدانی کمتر، 3) دسترسی به مناطق غیرقابل دسترس یا پرخطر، 4) ایمنی بیشتر کارگران، 5) ادغام پهپاد با سایر حسگرهای ژئوفیزیکیو 6) عدم نیاز به کرایواستات. یک نقطه ضعف در مقایسه با SQUID این است اسکالر، بجای بردار، اندازه گیری شار مغناطیسی با این حال، سنسورهای اینرسی GPS و نرخ نمونه برداری بالا می توانند قابلیت های نقشه برداری را فراهم کنند. این ویدیوی 21 دقیقه ای از Geometrics، که از آن یک قاب برای شکل 4 برداشتم، نشان می دهد چنین سیستمی در این زمینه

شکل 4 قاب گرفتن از یک ویدیوی هندسی، که نشان می دهد نقشه برداری میدان مغناطیسی پهپاد

سفر بدون GPS

کجاست یخ تاریک? این بخش را با یک راز آغاز می کنیم. لاکهید مارتین منابع قابل توجهی را برای توسعه آن اختصاص داد NV در مغناطیس سنج الماسی نمونه اولیه، با یک تیم (به رهبری MJ DiMario)، یک مشارکت عنصر 6 برای ساخت الماس، ثبت اختراعات 21, تست های Dark Ice و برنامه های آینده, مطبوعات عمومی (که منجر می شود به صدها مقاله مطبوعاتی بین المللی) یخ تاریک علامت تجارتی و یک آرم برنامه های کاربردی، یک تحقیق پیش چاپ (ادموندز و همکاران، 2020) و انتشار (ادموندز، و همکاران، 2021).

با این حال، لاکهید مارتین هرگز درخواست برنامه لوگوی خود را پیگیری نکرد، و این شرکت هرگز علامت تجاری "بیانیه استفاده" (SOU) را به USPTO ارائه نکرد. بنابراین لوگو و علامت تجاری حذف شدند (با تشکر فراوان از D. Barnes برای درک قوانین قانونی). رهبر تیم Dark Ice در سال 2020 لاکهید مارتین را ترک کرد تا شرکت خود را تشکیل دهد. از نتایج تحقیقات عمومی، در شکل 1 پیش‌چاپ، ابزار فقط «دستگاه» نامیده می‌شود و در مقاله مربوطه در ژورنال 2021، عکس سخت‌افزار Dark Ice به طور کلی حذف شده است. به نظر می رسد که یخ تاریک "تاریک" شده است.

شکل 5 لاکهید مارتین عکس انتشار مطبوعاتی 2019 دستگاه Dark Ice

نمونه اولیه از الماس مصنوعی آغشته به نیتروژن برای اندازه گیری استفاده کرد تغییرات میدان مغناطیسی: قدرت و جهت. هنگامی که با نقشه‌های میدان مغناطیسی زمین که توسط انجمن ملی اقیانوسی و جوی تهیه شده بود پوشانده شد، نمونه اولیه اطلاعات موقعیت زمین را تولید کرد. این فناوری به طور بالقوه از موقعیت هایی پشتیبانی می کند که GPS در دسترس نبود یا در شرایط چالش برانگیز دیگری وجود داشته باشد. طبق پیش‌چاپ و مقالات منتشر شده تیم Dark Ice، الماس رسوب بخار شیمیایی (CVD) فرآیند تولید برای بررسی موفقیت آمیز بود تابش و انلینگ رویه هایی برای پشتیبانی از ساخت الماس های NV با کیفیت با فناوری کوانتومی.

امروزه تمرکز توسعه در NV در الماس زمینه تحقیق بهبود ساخت چنین الماس ها و بهبود فن آوری های وفاداری بازخوانی است.

همانطور که در جامع توضیح داده شده است آچارد و همکاران، 2020 نقد و بررسی: تک کریستال های الماس CVD با مراکز NVمزیت اصلی CVD برای ساخت الماس های درجه کوانتومی، توانایی مهندسی لایه های انباشته از دوپینگ و ترکیبات مختلف به روشی پویا و بسیار انعطاف پذیر است که می تواند مقیاس شود. بررسی بهترین فرآیندهای وابسته به کاربرد، از جمله برای مغناطیس سنجی را ارائه می دهد. رژیم فناوری کوانتومی 10-15 ppm، که توسط تیم Dark Ice پیاده سازی شده است، نیاز دارد سازگار شرایط رشدی که امکان راندمان دوپینگ بالا را فراهم می کند و در عین حال کیفیت کریستالی را حفظ می کند. نتایج ادموندز و همکاران در سال 2021 بیشتر عوامل حساسیت محدود کننده یک مغناطیس سنج را شناسایی کردند.  پایان نامه دکتری 2021 هیمادری چاترجی از الماس Element-6/Dark Ice-process با سایر نمونه های الماس استفاده کرد و حساسیت های تشخیص میدان مغناطیسی را در 100 nT/Hz^1/2 رژیم، با استفاده از مغناطیس سنجی جذب IR. او فهرستی از پیشرفت‌ها را ارائه کرد تا حساسیت سیستم به ده‌ها برسد pT/Hz^1/2 حساسیت سایر محققین پایان نامه او و بررسی آچارد و همکاران منابع خوبی برای یافتن توصیفی از تلاش های تحقیقاتی جامعه هستند.

در حالی که ناپدید شدن Dark Ice ممکن است نگران کننده اخباری در مورد قابلیت فنی چنین مغناطیس سنج هایی باشد، نگران نباشید. این یادداشت باید به شما اطمینان دهد که NV در مغناطیس‌سنج الماسی پیشرفت می‌کند.

آمارا گرپس، Ph.D. یک فیزیکدان بین رشته ای، دانشمند سیاره ای، ارتباط دهنده علم و مربی و متخصص در تمام فناوری های کوانتومی است.