By Amara Graps julkaistu 26
Jos kvanttiteknologia ei voi tehdä ihmiselämästämme terveellisempää, vauraampaa ja nautinnollisempaa, niin mikä sen arvo on? Nämä ihmiskunnan kvanttiteknologian käyttötapaukset: Aivot, sivilisaatioja GPS-vapaa matka, mittaa magneettikenttiä, joiden herkkyys ja käyttö on entistä helpompaa.
Nykyään tutkimamme magneettisen B-kentän alue on 1pT - 1fT. Katso kuva 1 Maan magneettikenttä amplitudi (10-4 T) on ~1000 kertaa suurempi kuin ympäristömelu (10-7-10-9 T) ja noin 100 miljoonaa kertaa suurempi kuin magneettikentät, jotka hermovirrat synnyttävät päänahassa. magnetoenkefalografia (MEG)
Kuva 1. High Sensitivity Magnetic Field Sensor Technology -diasta 11, of David Pappasin (NIST) opetusohjelma American Physical Societyn kokouksessa APS 2008 maaliskuussa.
Bennett et al's, 2021 arvostelu: Tarkkuusmagnetometrit ilmailusovelluksiin selitetyssä kuvassa 2 on esitetty kiinnostusalueemme. Punaisessa suorakulmiossa näemme, että anturit ovat siirtymässä: pienempiin kokoihin, tarkempaan resoluutioon ja pienempiin tehovaatimuksiin. Erityisen kiinnostavia käyttötapauksillemme ovat nämä neljä:
- NV = typen vapaa timantissa (katso IQT: Kvanttitimanttivajeet ja -varat);
- AVC = atomihöyrykenno: Lasikenno, jossa on 400 K alkaliatomihöyryä laservalaistuksessa, kohdistaa pyörimisensä. Jos magneettikenttä on läsnä, uudelleenlähetetyssä valossa näkyy polarisaatio- tai amplitudimuutos (osio 3.1, Bennett et al's, 2021);
- MAAORJA = Spin Exchange Relaxation-Free: kuten AVC, mutta tiheämpi höyry korkeammassa lämpötilassa, mikä johtaa korkeampaan herkkyyteen (osio 3.1 Bennett et al's, 2021 Review); ja
KALMARI = suprajohtavat kvanttihäiriölaitteet; vankka 1960-luvun puolivälin tekniikka
Kuva 2. OM = optomekaaninen, NV = NV-keskukset timantissa, atomihöyrykenno + SERF = loukkuun jääneen atomin kvanttitekniikka, SQUID – SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), Bennett et al's, 2021 Review: Tarkkuusmagnetometrit ilmailusovelluksiin
suhteen OM = Optomekkaaninen: Tämä on rikas aihe, joka kirjoitetaan erikseen tulevaisuudessa. Jos olet OM-utelias, katso kohta 3.2 Bennett et al's, 2021 Review, lisätietoja Li et al., 2021 Onkalon optomekaaninen tunnistus.
Äly
Magnetoenkefalografia (MEG) on ei-invasiivinen, neurofysiologinen tekniikka, joka mittaa aivojen hermosolujen toiminnan synnyttämiä magneettikenttiä. MEG on ohjata, korkeammalla aikaresoluutiolla: ~ms ja korkeammalla spatiaalisella resoluutiolla: ~mm, kuin epäsuora mittaukset, kuten fMRI, PET ja SPECT.
MEG:iden kultastandardi on tällä hetkellä SQUID, mutta standardi alkoi siirtyä vuonna 2018 atomihöyrysolukvantti (aivohalvaus) teknologia; erityisesti siihen optisesti pumpatut magnetometrit (OPM), kanssa Boto et al, vuoden 2018 uusi MEG-järjestelmä. Vaikka SQUID-antureilla on femtotesla (fT) -herkkyys, SQUID-antureilla on joitain negatiivisia puolia: 1) kryogeeninen jäähdytysvaatimus, 2) jäykkä, potilaan pään liike ~500 kg:n yksikön sisällä, 3) joustamattomuus vaihteleviin pääkokoihin. Lapsipotilaille SQUID-anturien MEG:t eivät sovellu erityisen hyvin.
Boto et al, 2018 MEG-OPM prototyyppijärjestelmä käsitteli nämä negatiivit ~1 kg mukautetulla kypärällä, johon oli asennettu 13 OPM-anturia. Jokainen anturi oli 3x3x3 mm3, 87Rb-höyrytäytteinen ja lämmitetty komponentti ~150C, kypärän kehon lämpötila. Kypärä oli 3D-tulostettu "skanneri-valu", joka oli suunniteltu potilaan päähän käyttäen anatomista MRI-skannausta. Magneettikenttä osoitti valodiodilla havaittavalla valonläpäisykyvyn laskulla, kun 795 nm:n ympyräpolarisoitu lasersäde spin-polarisoi solun Rb-atomit.
Feys et al, toukokuu 2022 teos: Päänahan optisesti pumpatut magnetometrit vs. kryogeeninen magnetoenkefalografia kouluikäisten lasten epilepsian diagnostiseen arviointiin parantaa edellä mainittuja 32 anturilla, jotka on testattu lapsipotilailla, joilla on idiopaattinen tai refraktaarinen fokaalinen epilepsia. Tutkimuksen tavoitteena oli havaita interiktaaliset epileptiset purkaukset (IED) ja verrata MEG-OPM-tietoja MEG-SQUID-tietoihin. Feys et al, 2022 työ osoitti sen MEG-OPM tarjotaan samanlainen herkkyys: 1-3pT/Hz1/2, mutta suurempi IED-amplitudi ja korkeampi signaali-kohinasuhde kuin perinteiset MEG-SQUID-laitteet. Kuva 3 esittää kokeellisen järjestelyn.
Kuva 3 Kokeellinen asetus MEG IED -mittaukselle OPM:lle vs. SQUID:lle (4th kuva) alkaen Feys ym., 2022.
MEG-tutkimuskenttä on aktiivinen uusilla lähestymistavoilla, jotka toteuttavat joustavia OPM- ja SERF-malleja. Vilauksen siitä, mitä on edessä, voidaan nähdä käyttötapauksissa Abstrakti kirja että Tänään Noise Tomorrow's Signal 2019 -työpaja.
sivilisaatioiden
Arkeologisen magneettikentän kartoituksen kultastandardi on Myös SQUID-tekniikkaa. Korkean profiilin esimerkki, joka paljasti pääkaupungin historiallisen laajuuden: Mongolien aikakauden Karakorum, oli julkaistu Bemmann et al, 2021, viime marraskuussa, johdolla luonto. Päiväkirjassa oli eksoottisen näköinen kenttävalokuva, joka sisälsi vaunun, jossa oli joukko kryonisesti jäähdytettyjä SQUIDeja, joita veti maastoajoneuvo. Miksi luonto korostaisi SQUIDiin, joka on 1960-luvun puolivälin tekniikkaa, perustuvaa tieteellistä tulosta? Juonittelu voitti päivän.
Suosittelen arkeologisia magneettikartoittajia pohtimaan geofysiikan etuja droonien käytössä. Hakusanalla: UAV magneettikentän kartoitus, löydät drooniin asennettavat magnetometrit, jotka perustuvat atomihöyrykennot jotka arvioivat SQUID-antureiden magneettikentän vuoherkkyyttä: useiden pT/Hz:n luokkaa1/2. Lisäksi uusia toimintatapoja atomihöyrykennoille, mm valonsiirto-hajotettu Mz, on kehitetty, mikä lisää magnetometrin herkkyyttä entisestään.
Harkitse näitä etuja:
1) Tehokkaampi tiedonkeruu ja -käsittely, 2) pienemmät kenttäkustannukset, 3) pääsy vaikeapääsyisille tai korkean riskin alueille, 4) parempi työntekijöiden turvallisuus, 5) UAV-integrointi muiden geofysikaalisten antureiden kanssaja 6) ei tarvita kryostaatteja. Huono puoli SQUIDiin verrattuna on skalaari, sen sijasta vektori, magneettivuon mittaus. GPS-inertia-anturit ja korkea näytteenottotaajuus voivat kuitenkin tarjota kartoitusominaisuudet. Tämä 21 minuutin video Geometricsistä, josta nappasin kehyksen kuvalle 4, osoittaa tällainen järjestelmä alalla.
Kuva 4 Kuvakaappaus Geometrics-videosta, joka osoittaa UAV-magneettikentän kartoitus
GPS-vapaa matka
Missä on Tumma jää? Aloitamme tämän osion mysteerillä. Lockheed Martin käytti merkittäviä resursseja kehittämiseen NV timanttimagnetometrissä prototyyppi, jossa tiimi (johti M.J. DiMario), an Element-6 kumppanuus timanttien valmistukseen, 21-patentit, Dark Ice -testit ja tulevaisuuden suunnitelmat, julkinen lehdistö (joka johti satoja kansainvälisiä lehtiä), Dark Ice tavaramerkki ja logo sovellukset, tutkimus preprint (Edmonds et al, 2020) ja julkaisu (Edmonds et al, 2021).
Silti Lockheed Martin ei koskaan noudattanut logosovelluspyyntöään, eikä yritys koskaan toimittanut tavaramerkin "käyttöilmoitusta" (SOU) USPTO:lle. Siksi logo ja tavaramerkki poistettiin (suuret kiitokset D. Barnesille laillisuuden ymmärtämisestä). Dark Ice -tiimin johtaja jätti Lockheed Martinin vuonna 2020 perustaakseen oman yrityksensä. Julkisista tutkimustuloksista preprintin kuvassa 1 instrumentin nimi on vain 'Device' ja vastaavassa vuoden 2021 lehtiartikkelissa kuva Dark Icen laitteistosta on poistettu kokonaan. Dark Ice näyttää muuttuneen "tummaksi".
Kuva 5 Lockheed Martinin 2019 lehdistötiedote kuva Dark Ice -laitteesta
Prototyypissä käytettiin synteettistä typellä seostettua timanttia mittaamaan magneettikentän vaihtelut: voimakkuus ja suunta. Kun prototyyppi oli peitetty National Oceanic and Atmospheric Associationin toimittamilla Maan magneettikentän kartoilla, se tuotti Maan sijaintitietoja. Tämä tekniikka voisi mahdollisesti tukea tilanteita, joissa GPS ei ole saatavilla tai muuten haastavissa olosuhteissa. Dark Ice -tiimin esipainettujen ja julkaistujen papereiden mukaan timantin kemiallinen höyrykerros (CVD) valmistusprosessi onnistui tutkimaan säteilytys ja hehkutus menettelyt kvanttiteknologian laatuisten NV-timanttien valmistuksen tukemiseksi.
Nykyään kehityksen painopiste on NV timantissa Tutkimusalana on parantaa tällaisten timanttien valmistusta ja parantaa lukutarkkuutta koskevia teknologioita.
Kuten on kuvattu kattavassa Achard ym., 2020 Review: CVD-timanttiyksikiteet NV-keskuksilla, CVD:n tärkeimmät edut kvanttilaatuisten timanttien valmistuksessa on kyky suunnitella päällekkäisiä kerroksia eri dopingista ja koostumuksesta dynaamisella ja erittäin joustavalla tavalla, joka voi skaalata. Katsaus esittelee parhaat prosessit sovelluksesta riippuen, mukaan lukien magnetometria. Dark Ice -tiimin toteuttama ~10-15 ppm kvanttiteknologiajärjestelmä vaatii muokattu kasvuolosuhteet, jotka mahdollistavat korkean dopingtehokkuuden säilyttäen samalla kiteisen laadun. Edmondsin et al., 2021 tulokset tunnistivat edelleen magnetometrin rajoittavat herkkyystekijät. Himadri Chatterjeen 2021 väitöskirja käytti Element-6/Dark Ice -prosessitimanttia muiden timanttinäytteiden kanssa ja osoitti magneettikentän havaitsemisherkkyyttä ~100 nT/Hz1/2 järjestelmää käyttäen IR-absorptiomagnetometriaa. Hän toimitti luettelon parannuksista, jotta järjestelmän herkkyys saavuttaisi kymmeniä pT/Hz1/2 muiden tutkijoiden herkkyys. Hänen väitöskirjansa ja Achard et al Review ovat hyviä lähteitä löytää kuvauksia yhteisön tutkimustoiminnasta.
Vaikka Dark Icen katoaminen saattaa olla huolestuttava uutinen tällaisten magnetometrien teknisestä toimivuudesta, älä huoli. Tämän huomautuksen pitäisi vakuuttaa sinulle, että timanttimagnetometrin NV etenee.
Amara Graps, Ph.D. on poikkitieteellinen fyysikko, planeettatieteilijä, tiedeviestintä ja kouluttaja sekä kaikkien kvanttiteknologioiden asiantuntija.
