Magnétomètres quantiques : naviguer dans les royaumes humains

Si une technologie quantique ne peut pas rendre nos vies humaines plus saines, plus riches et plus agréables, alors quelle est sa valeur ? Ces cas d'utilisation de la technologie quantique dans le domaine humain : Cerveau, Civilisationet Voyage sans GPS, sondez les champs magnétiques avec une plus grande sensibilité et une plus grande facilité d'utilisation qu'auparavant.

La plage du champ magnétique B que nous sondons aujourd'hui est de 1pT — 1fT. Voir Fig. 1. Le Champ magnétique terrestre amplitude (10^-4 T) est ~1000 fois plus grand que bruit environnemental (10^-7-10^-9 T), et ~100 millions de fois plus grands que les champs magnétiques générés au niveau du cuir chevelu par les courants neuronaux dans magnéto-encéphalographie (MEG)

Figure 1. De la diapositive 11 de la technologie de capteur de champ magnétique à haute sensibilité, de Tutoriel de David Pappas (NIST) à la réunion de mars 2008 de l'APS de la réunion de l'American Physical Society.

Revue de Bennett et al, 2021 : Magnétomètres de précision pour applications aérospatiales dans la figure annotée. 2 montre notre zone d'intérêt. Dans le rectangle rouge, nous voyons que les capteurs évoluent vers : des tailles plus petites, une résolution plus précise et des besoins en puissance plus faibles. D'un intérêt particulier pour nos cas d'utilisation, sont ces quatre:

• NV = lacune d'azote dans le diamant (voir IQT : Déficits et actifs quantiques en diamants);
• AVC = cellule à vapeur atomique : une cellule en verre contenant une vapeur d'atomes alcalins de 400 K, lors de l'illumination laser, alignera ses spins. Si un champ magnétique est présent, un changement de polarisation ou d'amplitude de la lumière retransmise apparaît (section 3.1 dans Bennett et al's, 2021);
• SERF = Spin Exchange Relaxation-Free : comme AVC, mais une vapeur plus dense à une température plus élevée, ce qui se traduit par une sensibilité plus élevée (section 3.1 dans Bennett et al's, 2021 Review) ; et

SQUID = dispositifs d'interférence quantique supraconducteurs ; technologie robuste du milieu des années 1960

Figure 2. OM = optomécanique, NV = centres NV en diamant, Atomic Vapor Cell + SERF = technologie quantique d'atomes piégés, SQUID - SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), de Bennett et al's, 2021 Review : Magnétomètres de précision pour applications aérospatiales  

Concernant OM = Optomécanique : C'est un sujet riche à écrire séparément à l'avenir. Si vous êtes curieux d'OM, voir la section 3.2 dans Bennett et al's, 2021 Review, plus de détails dans Li et al., 2021 Détection optomécanique de cavité.

Cerveau
Magnéto-encéphalographie (MEG) est une technique neurophysiologique non invasive qui mesure les champs magnétiques générés par l'activité neuronale du cerveau. MEG est , avec une résolution temporelle plus élevée : ~ms, et une résolution spatiale plus élevée : ~mm, que indirect mesures telles que l'IRMf, la TEP et la SPECT.

L'étalon-or pour les MEG est actuellement SQUID, mais cette norme a commencé à changer en 2018 pour cellule de vapeur atomique quantique (AVC) technologie; en particulier, à magnétomètres à pompage optique (OPM), avec Boto et al, le nouveau système MEG de 2018. Alors que les capteurs SQUID ont une sensibilité femtotesla (fT), les capteurs SQUID ont certains inconvénients : 1) exigences de refroidissement cryogénique, 2) rigidité, mouvement de la tête du patient à l'intérieur d'une unité d'environ 500 kg, 3) inflexibilité aux différentes tailles de tête. Pour les patients pédiatriques, les MEG par capteurs SQUID sont particulièrement inadaptés.

Boto et al, le système prototype MEG-OPM de 2018 a traité ces négatifs avec un casque personnalisé d'environ 1 kg, où 13 capteurs OPM ont été montés. Chaque capteur était un 3x3x3 mm³, ⁸⁷Composant rempli de vapeur de Rb et chauffé à ~150C, avec la température corporelle du casque. Le casque était un « moulage par scanner » imprimé en 3D, conçu pour la tête du patient, à l'aide d'une IRM anatomique. Le champ magnétique a été indiqué par une chute de transmission lumineuse détectable par une photodiode, après qu'un faisceau laser à polarisation circulaire de 795 nm ait polarisé en spin les atomes Rb de la cellule.

Feys et al, travaux de mai 2022: Magnétomètres à pompage optique sur le cuir chevelu versus magnétoencéphalographie cryogénique pour l'évaluation diagnostique de l'épilepsie chez les enfants d'âge scolaire améliore ce qui précède avec 32 capteurs, testés avec des patients pédiatriques atteints d'épilepsie focale idiopathique ou réfractaire. L'objectif de la recherche était de détecter les décharges épileptiques intercritiques (EEI) et de comparer les données MEG-OPM avec les données MEG-SQUID. Les travaux de Feys et al, 2022 ont démontré que MEG-OPM fourni sensibilité similaire : 1-3pT/Hz^1/2, mais une amplitude IED plus élevée et un rapport signal/bruit plus élevé que les MEG-SQUID conventionnels.  La figure 3 indique le montage expérimental.

Figure 3 Configuration expérimentale pour la mesure MEG IED de l'OPM par rapport au SQUID (4^th figure) de Feys et al, 2022.

Le domaine de recherche MEG est actif avec de nouvelles approches mettant en œuvre des conceptions flexibles OPM et SERF. Un aperçu de ce qui nous attend peut être vu dans les cas d'utilisation du Livre abstrait des Atelier Bruit d'aujourd'hui Signal de demain 2019.

civilisations
L'étalon-or pour la cartographie archéologique du champ magnétique est aussi Technologie SQUID. Un exemple très médiatisé, qui a découvert l'étendue historique de la capitale : Karakorum de l'ère mongole, a été publié par Bemmann et al, 2021, en novembre dernier, avec une avance en Nature. Le journal affichait une photo de terrain d'aspect exotique, qui comprenait un wagon transportant un ensemble de SQUID refroidis cryogéniquement qui était tiré par un véhicule tout-terrain. Pourquoi Nature mettrait-il en évidence un résultat scientifique basé sur SQUID, qui est une technologie du milieu des années 1960 ? L'intrigue l'a emporté.

Je suggère aux cartographes magnétiques archéologiques de considérer les avantages de l'approche géophysique à utiliser des drones. Avec une recherche par mot-clé : Cartographie du champ magnétique des drones, vous découvrirez des magnétomètres montés sur drone, basés sur cellules à vapeur atomique qui se rapprochent de la sensibilité au flux de champ magnétique des capteurs SQUID : de l'ordre de plusieurs pT/Hz^1/2. De plus, de nouveaux modes de fonctionnement pour les cellules à vapeur atomique, tels que Mz dispersé par déplacement de la lumière, ont été développés, ce qui augmenterait encore la sensibilité du magnétomètre.

Considérez ces avantages :
1) Une collecte et un traitement des données plus efficaces, 2) des coûts de terrain réduits, 3) un accès à des régions inaccessibles ou à haut risque, 4) une plus grande sécurité des travailleurs, 5) Intégration d'UAV avec d'autres capteurs géophysiques, et 6) pas besoin de cryostats. Un inconvénient par rapport à SQUID est le scalaire, Au lieu d' vecteur, mesure du flux magnétique. Cependant, les capteurs inertiels GPS et un taux d'échantillonnage élevé peuvent fournir des capacités de cartographie. Cette vidéo de 21 minutes de Geometrics, à partir de laquelle j'ai saisi un cadre pour la Fig. 4, démontre un tel système sur le terrain.

Figure 4 Capture d'image d'une vidéo Geometrics, qui démontre Cartographie du champ magnétique UAV

Voyage sans GPS

Où se trouve Glace noire? Nous commençons cette section par un mystère. Lockheed Martin a investi des ressources importantes dans le développement du NV dans le magnétomètre à diamant prototype, avec une équipe (dirigée par MJ DiMario), un Partenariat Element-6 pour la fabrication de diamants, Brevets 21, Tests de glace noire et plans futurs, presse publique (qui mène à des centaines d'articles de presse internationaux), Glace noire marque déposée et logo applications, une recherche pré-impression (Edmonds et al, 2020) et publication (Edmonds, et al, 2021).

Pourtant, Lockheed Martin n'a jamais donné suite à sa demande d'application de logo, et la société n'a jamais fourni de « déclaration d'utilisation » (SOU) de marque à l'USPTO. Par conséquent, le logo et la marque ont été abandonnés (un grand merci à D. Barnes pour comprendre les légalités). Le chef d'équipe de Dark Ice a quitté Lockheed Martin en 2020 pour créer sa propre entreprise. Parmi les résultats de la recherche publique, dans la figure 1 de la préimpression, l'instrument est uniquement appelé "Device", et dans l'article de journal correspondant de 2021, la photo du matériel de Dark Ice est complètement supprimée. Dark Ice semble être devenu 'Dark'.

Figure 5 Lockheed Martin's photos du communiqué de presse 2019 de l'appareil Dark Ice

Le prototype utilisait un diamant synthétique dopé à l'azote pour mesurer la variations du champ magnétique : intensité et direction. Lorsqu'il était recouvert de cartes du champ magnétique terrestre, fournies par la National Oceanic and Atmospheric Association, le prototype produisait des informations sur l'emplacement de la Terre. Cette technologie pourrait éventuellement prendre en charge des situations où le GPS n'était pas disponible ou dans des conditions autrement difficiles. Selon les prépublications et les articles publiés de l'équipe de Dark Ice, le diamant dépôt chimique en phase vapeur (CVD) processus de fabrication a réussi à sonder irradiation ainsi que recuit procédures pour soutenir la fabrication de diamants NV de qualité quantique.

Aujourd'hui, l'accent mis sur le développement dans le NV en diamant domaine de recherche est d'améliorer la fabrication de ces diamants et d'améliorer les technologies de fidélité de lecture.

Comme décrit dans la description complète Achard et al, 2020 Review: Monocristaux de diamant CVD avec centres NV, les principaux avantages du CVD pour la fabrication de diamants de qualité quantique sont la possibilité de concevoir des couches empilées de dopage et de composition différents de manière dynamique et très flexible qui peut évoluer. La Revue présente les meilleurs procédés en fonction de l'application, y compris pour la magnétométrie. Le régime de technologie quantique ∼10-15 ppm, mis en œuvre par l'équipe Dark Ice, nécessite adapté des conditions de croissance permettant une grande efficacité de dopage, tout en préservant la qualité cristalline. Les résultats d'Edmonds et al, 2021 ont en outre identifié les facteurs de sensibilité limitants pour un magnétomètre.  Thèse de doctorat 2021 d'Himadri Chatterjee utilisé un diamant Element-6/Dark Ice-process avec d'autres échantillons de diamant et démontré des sensibilités de détection de champ magnétique dans le ~100 nT/Hz^1/2 régime, en utilisant la magnétométrie d'absorption IR. Il a fourni une liste d'améliorations pour que la sensibilité du système atteigne les dizaines de pT/Hz^1/2 sensibilité des autres chercheurs. Sa thèse et la revue Achard et al sont de bonnes sources pour trouver des descriptions des efforts de recherche de la communauté.

Bien que la disparition de Dark Ice puisse concerner des nouvelles sur la viabilité technique de tels magnétomètres, ne vous inquiétez pas. Cette note devrait vous rassurer sur le fait que les progrès de NV dans les magnétomètres à diamant se poursuivent.

Amara Graps, Ph.D. est un physicien interdisciplinaire, scientifique planétaire, communicateur scientifique et éducateur et expert sur toutes les technologies quantiques.