क्वांटम मैग्नेटोमीटर: मानव क्षेत्र नेविगेट करना

यदि कोई क्वांटम तकनीक हमारे मानव जीवन को स्वस्थ, समृद्ध और अधिक आनंददायक नहीं बना सकती है, तो इसका मूल्य क्या है? ये मानव-क्षेत्र, क्वांटम प्रौद्योगिकी उपयोग के मामले: दिमाग, सभ्यता, तथा जीपीएस-मुक्त यात्रा, पहले की तुलना में अधिक संवेदनशीलता और उपयोग में आसानी के साथ चुंबकीय क्षेत्रों की जांच करें।

आज हम जिस चुंबकीय बी-क्षेत्र की जांच कर रहे हैं उसकी सीमा 1pT - 1fT है। चित्र देखें. 1 पृथ्वी का चुंबकीय क्षेत्र आयाम (10^-4 टी) है ~1000 गुना बड़ा से पर्यावरणीय शोर (10^-7-10^-9 टी), और तंत्रिका धाराओं द्वारा खोपड़ी पर उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र से ~100 मिलियन गुना बड़ा मैग्नेटो-एन्सेफलोग्राफी (एमईजी)

चित्रा 1। उच्च संवेदनशीलता चुंबकीय क्षेत्र सेंसर प्रौद्योगिकी स्लाइड 11 से डेविड पप्पस (एनआईएसटी) का ट्यूटोरियल अमेरिकन फिजिकल सोसाइटी की एपीएस 2008 मार्च बैठक में।

बेनेट एट अल, 2021 समीक्षा: एयरोस्पेस अनुप्रयोगों के लिए परिशुद्ध मैग्नेटोमीटर एनोटेटेड चित्र 2 में हमारी रुचि का क्षेत्र दिखाया गया है। लाल आयत में, हम देखते हैं कि सेंसर आगे बढ़ रहे हैं: छोटे आकार, अधिक सटीक रिज़ॉल्यूशन, और कम बिजली की आवश्यकताएं। हमारे उपयोग के मामलों में विशेष रुचि के ये चार हैं:

• NV = हीरे में नाइट्रोजन रिक्ति (IQT देखें: क्वांटम डायमंड घाटा और संपत्ति);
• AVC = परमाणु वाष्प सेल: लेजर रोशनी पर 400K क्षार परमाणुओं का वाष्प रखने वाला एक ग्लास सेल, अपने स्पिन को संरेखित करेगा। यदि कोई चुंबकीय क्षेत्र मौजूद है, तो पुनः प्रेषित प्रकाश में ध्रुवीकरण या आयाम परिवर्तन दिखाई देता है (बेनेट एट अल, 3.1 में अनुभाग 2021);
• कम्मी = स्पिन एक्सचेंज रिलैक्सेशन-फ्री: एवीसी की तरह, लेकिन उच्च तापमान पर सघन वाष्प, जिसके परिणामस्वरूप उच्च संवेदनशीलता होती है (बेनेट एट अल, 3.1 समीक्षा में अनुभाग 2021); और

स्क्वीड = अतिचालक क्वांटम हस्तक्षेप उपकरण; 1960 के दशक के मध्य की मजबूत तकनीक

चित्रा 2। ओएम = ऑप्टोमैकेनिकल, एनवी = हीरे में एनवी केंद्र, परमाणु वाष्प सेल + एसईआरएफ = फंसा हुआ परमाणु क्वांटम प्रौद्योगिकी, स्क्विड - स्क्विड (सुपरकंडक्टिंग क्वांटम इंटरफेरेंस डिवाइस), बेनेट एट अल से, 2021 समीक्षा: एयरोस्पेस अनुप्रयोगों के लिए परिशुद्ध मैग्नेटोमीटर  

के बारे में OM = ऑप्टोमैकेनिकल: यह भविष्य में अलग से लिखा जाने वाला एक समृद्ध विषय है। यदि आप ओम-जिज्ञासु हैं, तो बेनेट एट अल, 3.2 समीक्षा में अनुभाग 2021 देखें, ली एट अल, 2021 में अधिक विवरण देखें। कैविटी ऑप्टोमैकेनिकल सेंसिंग.

दिमाग
मैग्नेटो-एन्सेफलोग्राफी (एमईजी) एक गैर-आक्रामक, न्यूरोफिज़ियोलॉजिकल तकनीक है जो मस्तिष्क की न्यूरोनल गतिविधि द्वारा उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र को मापती है। एमईजी है प्रत्यक्ष, उच्च अस्थायी रिज़ॉल्यूशन के साथ: ~एमएस, और उच्च स्थानिक रिज़ॉल्यूशन: ~मिमी, से अप्रत्यक्ष माप, जैसे एफएमआरआई, पीईटी और स्पेक्ट।

MEGs के लिए स्वर्ण मानक वर्तमान में SQUID है, लेकिन वह मानक 2018 में स्थानांतरित होना शुरू हुआ परमाणु वाष्प सेल क्वांटम (आघात) तकनीकी; विशेष रूप से, को ऑप्टिकली-पंप मैग्नेटोमीटर (ओपीएम), साथ में बोटो एट अल, 2018 की नई एमईजी प्रणाली. जबकि SQUID सेंसर में फेमटोटेस्ला (fT) संवेदनशीलता होती है, SQUID सेंसर में कुछ नकारात्मक बातें होती हैं: 1) क्रायोजेनिक शीतलन आवश्यकताएं, 2) कठोर, ~500 किलोग्राम इकाई के अंदर रोगी-सिर की गति, 3) अलग-अलग सिर के आकार के प्रति अनम्यता। बाल रोगियों के लिए, स्क्विड सेंसर द्वारा एमईजी विशेष रूप से अनुपयुक्त हैं।

बोटो एट अल, 2018 के एमईजी-ओपीएम प्रोटोटाइप सिस्टम ने ~1 किलो कस्टम हेलमेट के साथ इन नकारात्मकताओं को संबोधित किया, जहां 13 ओपीएम सेंसर लगाए गए थे। प्रत्येक सेंसर 3x3x3 मिमी का था³, ⁸⁷आरबी-वाष्प से भरा और हेलमेट शरीर के तापमान के साथ ~150C पर गर्म घटक। हेलमेट एक 3डी-मुद्रित 'स्कैनर-कास्ट' था, जिसे एनाटोमिकल एमआरआई स्कैन का उपयोग करके रोगी के सिर के लिए डिज़ाइन किया गया था। चुंबकीय क्षेत्र को प्रकाश संचरण में एक फोटोडायोड-डिटेक्टेबल गिरावट द्वारा इंगित किया गया था, 795 एनएम, गोलाकार रूप से ध्रुवीकृत लेजर बीम के बाद, सेल के आरबी परमाणुओं को स्पिन-ध्रुवीकृत किया गया था।

फेयस एट अल, मई 2022 काम: स्कूल-आयु वर्ग के बच्चों में मिर्गी के नैदानिक ​​मूल्यांकन के लिए ऑन-स्कैल्प ऑप्टिकली पंप्ड मैग्नेटोमीटर बनाम क्रायोजेनिक मैग्नेटोएन्सेफलोग्राफी 32 सेंसरों के साथ उपरोक्त में सुधार किया गया है, जिसका परीक्षण उन बाल रोगियों पर किया गया है, जिन्हें इडियोपैथिक या दुर्दम्य फोकल मिर्गी है। शोध का लक्ष्य इंटरेक्टल मिर्गी डिस्चार्ज (आईईडी) का पता लगाना और एमईजी-ओपीएम डेटा की एमईजी-स्क्विड डेटा से तुलना करना था। फेयस एट अल, 2022 के काम ने यह प्रदर्शित किया एमईजी-ओपीएम प्रदान किया गया समान संवेदनशीलता: 1-3pT/Hz^1/2, लेकिन पारंपरिक एमईजी-स्क्विड की तुलना में उच्च आईईडी आयाम और उच्च सिग्नल-टू-शोर.  चित्र 3 प्रायोगिक सेट अप को दर्शाता है।

चित्रा 3 ओपीएम बनाम स्क्विड के एमईजी आईईडी माप के लिए प्रायोगिक सेटअप (4^th चित्र) से फेयस एट अल, 2022.

एमईजी अनुसंधान क्षेत्र लचीले ओपीएम और एसईआरएफ डिजाइनों को लागू करने वाले नए दृष्टिकोणों के साथ सक्रिय है। आगे क्या है इसकी एक झलक इसके उपयोग के मामलों में देखी जा सकती है सार पुस्तक का आज का शोर कल का सिग्नल 2019 कार्यशाला.

सभ्यताओं
पुरातात्विक चुंबकीय क्षेत्र मानचित्रण के लिए स्वर्ण मानक है भी स्क्विड तकनीक। एक हाई-प्रोफाइल उदाहरण, जिसने राजधानी की ऐतिहासिक सीमा की खोज की: मंगोल युग का काराकोरम प्रकाशित बेम्मन एट अल द्वारा, 2021, पिछले नवंबर में, लीड के साथ प्रकृति. पत्रिका ने एक विदेशी दिखने वाली फ़ील्ड तस्वीर प्रदर्शित की, जिसमें क्रायोनिक रूप से ठंडा किए गए SQUIDs का एक सेट ले जाने वाला एक वैगन शामिल था जिसे एक ऑफ-रोड वाहन द्वारा खींचा गया था। प्रकृति SQUID, जो कि 1960 के दशक के मध्य की तकनीक है, पर आधारित विज्ञान परिणाम को उजागर क्यों करेगी? साज़िश ने दिन जीत लिया।

मैं पुरातत्व चुंबकीय मानचित्रकारों को ड्रोन का उपयोग करने के लिए भूभौतिकी दृष्टिकोण के लाभों पर विचार करने का सुझाव देता हूं। कीवर्ड खोज के साथ: यूएवी चुंबकीय क्षेत्र मानचित्रण, आप ड्रोन-माउंटेड, मैग्नेटोमीटर के आधार पर खोज करेंगे परमाणु वाष्प कोशिकाएँ यह SQUID सेंसरों की चुंबकीय क्षेत्र प्रवाह संवेदनशीलता का अनुमान लगाता है: कई pT/Hz के क्रम पर^1/2. इसके अलावा, परमाणु वाष्प कोशिकाओं के लिए नए परिचालन मोड, जैसे प्रकाश-शिफ्ट-फैला हुआ Mzविकसित किया गया है, जो मैग्नेटोमीटर की संवेदनशीलता को और बढ़ा देगा।

इन फायदों पर विचार करें:
1) अधिक कुशल डेटा संग्रह और प्रसंस्करण, 2) कम क्षेत्र लागत, 3) दुर्गम या उच्च जोखिम वाले क्षेत्रों तक पहुंच, 4) अधिक श्रमिक सुरक्षा, 5) अन्य भूभौतिकीय सेंसर के साथ यूएवी एकीकरण, और 6) क्रायोस्टेट की कोई आवश्यकता नहीं। SQUID की तुलना में एक नुकसान यह है अदिश, के बजाय वेक्टर, चुंबकीय प्रवाह माप. हालाँकि, जीपीएस जड़त्वीय सेंसर और उच्च नमूना दर मैपिंग क्षमताएं प्रदान कर सकते हैं। जियोमेट्रिक्स का यह 21 मिनट का वीडियो, जिसमें से मैंने चित्र 4 के लिए एक फ्रेम लिया, दर्शाता क्षेत्र में ऐसी व्यवस्था.

चित्रा 4 जियोमेट्रिक्स वीडियो से एक फ्रेम-ग्रैब, जो दर्शाता यूएवी चुंबकीय क्षेत्र मानचित्रण

जीपीएस मुक्त यात्रा

कहां है गहरी बर्फ? हम इस भाग की शुरुआत एक रहस्य से करते हैं। लॉकहीड मार्टिन ने इसे विकसित करने में महत्वपूर्ण संसाधन लगाए डायमंड मैग्नेटोमीटर में एन.वी प्रोटोटाइप, एक टीम के साथ (एमजे डिमारियो के नेतृत्व में), एक तत्व-6 साझेदारी हीरा निर्माण के लिए, 21 पेटेंट, डार्क आइस परीक्षण और भविष्य की योजनाएँ, सार्वजनिक प्रेस (जो नेतृत्व करता है सैकड़ों अंतरराष्ट्रीय प्रेस टुकड़े), डार्क आइस ट्रेडमार्क और एक प्रतीक चिन्ह अनुप्रयोग, एक शोध प्रीप्रिंट (एडमंड्स एट अल, 2020) और प्रकाशन (एडमंड्स, एट अल, 2021)।

फिर भी लॉकहीड मार्टिन ने कभी भी अपने लोगो आवेदन अनुरोध का पालन नहीं किया, और कंपनी ने कभी भी यूएसपीटीओ को ट्रेडमार्क "उपयोग का विवरण" (एसओयू) प्रदान नहीं किया। इसलिए लोगो और ट्रेडमार्क हटा दिया गया (कानूनी बातें समझने के लिए डी. बार्न्स को बहुत धन्यवाद)। डार्क आइस टीम लीडर ने अपनी खुद की कंपनी बनाने के लिए 2020 में लॉकहीड मार्टिन छोड़ दिया। सार्वजनिक शोध परिणामों में से, प्रीप्रिंट के चित्र 1 में, उपकरण को केवल 'डिवाइस' कहा गया है, और संबंधित 2021 जर्नल लेख में, डार्क आइस के हार्डवेयर की तस्वीर पूरी तरह से हटा दी गई है। ऐसा प्रतीत होता है कि डार्क आइस 'डार्क' हो गया है।

चित्रा 5 लॉकहीड मार्टिन 2019 प्रेस विज्ञप्ति फोटो डार्क आइस डिवाइस का

प्रोटोटाइप ने मापने के लिए सिंथेटिक नाइट्रोजन-डोप्ड हीरे का उपयोग किया चुंबकीय क्षेत्र भिन्नताएँ: शक्ति और दिशा. जब राष्ट्रीय महासागरीय और वायुमंडलीय एसोसिएशन द्वारा आपूर्ति किए गए पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र के मानचित्रों के साथ प्रोटोटाइप को जोड़ा गया, तो प्रोटोटाइप ने पृथ्वी के स्थान की जानकारी उत्पन्न की। यह तकनीक संभावित रूप से उन स्थितियों का समर्थन करेगी जब जीपीएस उपलब्ध नहीं था या अन्यथा चुनौतीपूर्ण स्थिति में था। डार्क आइस टीम के प्रीप्रिंट और प्रकाशित कागजात के अनुसार, हीरा रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) जांच में विनिर्माण प्रक्रिया सफल रही विकिरण और annealing क्वांटम-टेक गुणवत्ता वाले एनवी हीरों के निर्माण का समर्थन करने की प्रक्रियाएँ।

आज, विकास पर ध्यान केंद्रित है हीरे में एन.वी अनुसंधान का क्षेत्र ऐसे हीरों के निर्माण में सुधार करना और रीडआउट फ़िडेलिटी प्रौद्योगिकियों में सुधार करना है।

जैसा कि व्यापक में वर्णित है अचर्ड एट अल, 2020 समीक्षा: एनवी केंद्रों के साथ सीवीडी हीरा एकल क्रिस्टलक्वांटम-ग्रेड हीरे बनाने के लिए सीवीडी का मुख्य लाभ गतिशील और बहुत लचीले तरीके से विभिन्न डोपिंग और संरचना की स्टैक्ड परतों को इंजीनियर करने की क्षमता है जो स्केल कर सकते हैं। समीक्षा मैग्नेटोमेट्री सहित अनुप्रयोग पर निर्भर सर्वोत्तम प्रक्रियाओं को प्रस्तुत करती है। डार्क आइस टीम द्वारा कार्यान्वित ∼10-15 पीपीएम, क्वांटम-टेक व्यवस्था की आवश्यकता है अनुकूलित विकास की स्थितियाँ जो क्रिस्टलीय गुणवत्ता को संरक्षित करते हुए उच्च डोपिंग दक्षता की अनुमति देती हैं। एडमंड्स एट अल, 2021 के परिणामों ने मैग्नेटोमीटर के लिए सीमित संवेदनशीलता कारकों की पहचान की।  हिमाद्री चटर्जी की 2021 पीएचडी थीसिस अन्य हीरे के नमूनों के साथ एलिमेंट-6/डार्क आइस-प्रोसेस हीरे का उपयोग किया और चुंबकीय क्षेत्र का पता लगाने की संवेदनशीलता का प्रदर्शन किया ~100 एनटी/हर्ट्ज^1/2 शासन, आईआर अवशोषण मैग्नेटोमेट्री का उपयोग करते हुए। उन्होंने सिस्टम की संवेदनशीलता को दसियों तक पहुंचाने के लिए सुधारों की एक सूची प्रदान की पीटी/हर्ट्ज^1/2 अन्य शोधकर्ताओं की संवेदनशीलता. उनकी थीसिस और अचर्ड एट अल समीक्षा समुदाय के अनुसंधान प्रयासों का विवरण खोजने के लिए अच्छे स्रोत हैं।

जबकि डार्क आइस का गायब होना ऐसे मैग्नेटोमीटर की तकनीकी व्यवहार्यता के बारे में खबर से संबंधित हो सकता है, चिंता न करें। यह नोट आपको आश्वस्त करेगा कि डायमंड मैग्नेटोमीटर में एनवी प्रगति पर है।

अमारा ग्रेप्स, पीएच.डी. एक अंतःविषय भौतिक विज्ञानी, ग्रह वैज्ञानिक, विज्ञान संचारक और शिक्षक और सभी क्वांटम प्रौद्योगिकियों के विशेषज्ञ हैं।