Magnetometer Kuantum: Menavigasi Alam Manusia

Jika teknologi kuantum tidak dapat membuat kehidupan manusia lebih sehat, sejahtera, dan menyenangkan, lalu apa nilainya? Kasus penggunaan teknologi kuantum di dunia manusia ini: Otak, Peradaban, dan Perjalanan Bebas GPS, selidiki medan magnet dengan sensitivitas lebih besar dan kemudahan penggunaan dibandingkan sebelumnya.

Kisaran medan magnet B yang kita selidiki saat ini adalah 1pT - 1fT. Lihat Gambar 1. Itu Medan magnet bumi amplitudo (10^-4 T) adalah ~1000 kali lebih besar dari kebisingan lingkungan (10^-7-10^-9 T), dan ~100 juta kali lebih besar dari medan magnet yang dihasilkan di kulit kepala oleh arus saraf masuk magneto-ensefalografi (MEG)

Gambar 1. Dari Teknologi Sensor Medan Magnet Sensitivitas Tinggi slide 11, dari Tutorial David Pappas (NIST). pada Pertemuan APS 2008 Maret dari pertemuan American Physical Society.

Ulasan Bennett dkk, 2021: Magnetometer Presisi untuk Aplikasi Luar Angkasa pada Gambar 2 yang dianotasi menunjukkan bidang minat kami. Pada kotak merah, kita melihat sensor bergerak ke:  ukuran lebih kecil, resolusi lebih presisi, dan kebutuhan daya lebih kecil. Yang menarik untuk kasus penggunaan kami, adalah empat hal berikut:

• NV = kekosongan nitrogen pada intan (lihat IQT: Defisit dan Aset Quantum Diamond);
• AVC = sel uap atom: Sel kaca yang menampung 400K uap atom alkali, jika disinari laser, akan menyelaraskan putarannya. Jika terdapat medan magnet, polarisasi atau perubahan amplitudo pada cahaya yang ditransmisikan ulang akan muncul (bagian 3.1 dalam Bennett et al’s, 2021);
• BUDAK = Spin Exchange Bebas Relaksasi: seperti AVC, tetapi uap lebih padat pada suhu lebih tinggi, yang menghasilkan sensitivitas lebih tinggi (bagian 3.1 dalam Ulasan Bennett dkk, 2021); Dan

CAIRAN = perangkat interferensi kuantum superkonduktor; teknologi pertengahan tahun 1960an yang kuat

Gambar 2. OM= optomekanis, NV = NV berpusat pada intan, Sel Uap Atom + SERF   = teknologi kuantum atom yang terperangkap, SQUID – SQUID (Perangkat Interferensi Kuantum Superkonduktor), dari Bennett et al’s, Ulasan 2021: Magnetometer Presisi untuk Aplikasi Luar Angkasa  

Mengenai OM = Optomekanis: Ini adalah topik kaya yang akan ditulis secara terpisah di masa mendatang. Jika Anda penasaran dengan OM, lihat bagian 3.2 di Ulasan Bennett et al., 2021, rincian lebih lanjut di Li et al., 2021 Penginderaan Optomekanis Rongga.

Otak
Magneto-ensefalografi (MEG) adalah teknik neurofisiologis non-invasif yang mengukur medan magnet yang dihasilkan oleh aktivitas saraf otak. MEG adalah langsung, dengan resolusi temporal lebih tinggi: ~ms, dan resolusi spasial lebih tinggi: ~mm, dibandingkan tidak langsung pengukuran, seperti  fMRI, PET, dan SPECT.

Standar emas untuk MEG saat ini adalah SQUID, namun standar tersebut mulai bergeser pada tahun 2018 menjadi kuantum sel uap atom (stroke) teknologi; khususnya, untuk magnetometer yang dipompa secara optik (OPM), dengan Boto dkk, sistem MEG baru tahun 2018. Meskipun sensor SQUID memiliki sensitivitas femtotesla (fT), sensor SQUID memiliki beberapa kelemahan: 1) persyaratan pendinginan kriogenik, 2) gerakan kepala pasien yang kaku di dalam unit ~500 kg, 3) tidak fleksibel terhadap berbagai ukuran kepala. Untuk pasien anak-anak, MEG dari sensor SQUID sangat tidak cocok.

Boto dkk, sistem prototipe MEG-OPM tahun 2018 mengatasi masalah negatif ini dengan helm khusus berukuran ~1kg, yang dilengkapi dengan 13 sensor OPM. Setiap sensor berukuran 3x3x3 mm³, ⁸⁷Komponen berisi uap Rb dan dipanaskan pada suhu ~150C, dengan suhu badan helm. Helm tersebut merupakan 'scanner-cast' yang dicetak 3D, dirancang untuk kepala pasien, menggunakan pemindaian MRI anatomis. Medan magnet ditunjukkan oleh penurunan transmisi cahaya yang dapat dideteksi fotodioda, setelah sinar laser terpolarisasi sirkular 795 nm, mempolarisasi atom Rb sel.

Feys dkk, Mei 2022 berhasil: Magnetometer yang Dipompa Secara Optik di Kulit Kepala versus Magnetoensefalografi Kriogenik untuk Evaluasi Diagnostik Epilepsi pada Anak Usia Sekolah menyempurnakan hal di atas dengan 32 sensor, diuji pada pasien anak-anak, yang menderita epilepsi fokal idiopatik atau refrakter. Tujuan penelitian adalah mendeteksi pelepasan epilepsi interiktal (IEDs) dan membandingkan data MEG-OPM dengan data MEG-SQUID. Feys dkk, karya tahun 2022 menunjukkan hal itu MEG-OPM disediakan sensitivitas serupa: 1-3pT/Hz^1/2, tetapi amplitudo IED lebih tinggi dan signal-to-noise lebih tinggi dibandingkan MEG-SQUID konvensional.  Gambar 3 menunjukkan pengaturan eksperimental.

Gambar 3 Pengaturan Eksperimental untuk pengukuran MEG IED OPM versus SQUID (4^th gambar) dari Feys dkk, 2022.

Bidang penelitian MEG aktif dengan pendekatan baru yang menerapkan desain OPM dan SERF yang fleksibel. Sekilas tentang apa yang akan terjadi dapat dilihat dalam kasus penggunaan Buku abstrak dari Lokakarya Noise Tomorrow's Signal 2019 hari ini.

Peradaban
Standar emas untuk pemetaan medan magnet arkeologi adalah juga teknologi cumi-cumi. Contoh terkenal yang mengungkap luasnya sejarah ibu kota: Karakorum di Era Mongol adalah diterbitkan oleh Bemmann dkk, 2021, November lalu, dengan pendahuluan di Alam. Jurnal tersebut menampilkan foto lapangan yang tampak eksotis, termasuk sebuah gerobak yang membawa sekumpulan SQUID berpendingin cryonic yang ditarik oleh kendaraan off-road. Mengapa Alam menyoroti hasil sains berdasarkan SQUID, yang merupakan teknologi pertengahan tahun 1960an? Intrik memenangkan hari itu.

Saya menyarankan kepada para pembuat peta magnetik arkeologi untuk mempertimbangkan manfaat pendekatan geofisika dengan menggunakan drone. Dengan pencarian kata kunci: Pemetaan medan magnet UAV, Anda akan menemukan magnetometer yang dipasang di drone, berdasarkan sel uap atom yang memperkirakan sensitivitas fluks medan magnet sensor SQUID: pada urutan beberapa pT/Hz^1/2. Selain itu, mode operasional baru untuk sel uap atom, seperti Mz, telah dikembangkan, yang selanjutnya akan meningkatkan sensitivitas magnetometer.

Pertimbangkan keuntungan berikut:
1) Pengumpulan dan pemrosesan data yang lebih efisien, 2) biaya lapangan yang lebih rendah, 3) akses ke wilayah yang tidak dapat diakses atau berisiko tinggi, 4) keselamatan pekerja yang lebih baik, 5) Integrasi UAV dengan sensor geofisika lainnya, dan 6) tidak memerlukan cryostat. Kerugian dibandingkan dengan SQUID adalah skalar, dari pada vektor, pengukuran fluks magnet. Namun, sensor inersia GPS dan laju pengambilan sampel yang tinggi dapat memberikan kemampuan pemetaan. Video berdurasi 21 menit dari Geometrics ini, dari mana saya mengambil bingkai untuk Gambar 4, menunjukkan sistem seperti itu di lapangan.

Gambar 4 Pengambilan bingkai dari video Geometrics, yang menunjukkan Pemetaan medan magnet UAV

Perjalanan bebas GPS

Dimana Es Gelap? Kami memulai bagian ini dengan sebuah misteri. Lockheed Martin mengerahkan sumber daya yang signifikan untuk mengembangkan NV dalam magnetometer berlian prototipe, dengan tim (dipimpin oleh M.J. DiMario), an Kemitraan Elemen-6 untuk pembuatan berlian, Paten 21, Tes Dark Ice dan rencana masa depan, pers publik (yang menyebabkan ratusan artikel pers internasional), Es Gelap merek dagang dan logo aplikasi, sebuah penelitian pracetak (Edmonds dkk, 2020) dan publikasi (Edmonds, dkk, 2021).

Namun Lockheed Martin tidak pernah menindaklanjuti permintaan permohonan logonya, dan perusahaan tidak pernah memberikan “pernyataan penggunaan” (SOU) merek dagang kepada USPTO. Oleh karena itu logo dan merek dagang dihilangkan (terima kasih banyak kepada D. Barnes yang memahami legalitasnya). Pemimpin tim Dark Ice meninggalkan Lockheed Martin pada tahun 2020, untuk membentuk perusahaannya sendiri. Dari hasil penelitian publik, pada Gambar 1 pracetak, instrumen tersebut hanya disebut 'Perangkat', dan pada artikel jurnal terkait tahun 2021, foto perangkat keras Dark Ice dihapus seluruhnya. Dark Ice tampaknya telah menjadi 'Gelap'.

Gambar 5 Lockheed Martin Foto siaran pers 2019 dari perangkat Dark Ice

Prototipe ini menggunakan berlian sintetis yang didoping nitrogen untuk mengukur variasi medan magnet: kekuatan dan arah. Ketika dilapis dengan peta medan magnet bumi, yang disediakan oleh National Oceanic and Atmospheric Association, prototipe tersebut menghasilkan informasi lokasi Bumi. Teknologi ini berpotensi mendukung situasi ketika GPS tidak tersedia atau dalam kondisi yang menantang. Menurut makalah pracetak dan terbitan tim Dark Ice, berlian itu deposisi uap kimia (CVD) proses manufaktur berhasil diselidiki penyinaran dan annealing prosedur untuk mendukung pembuatan berlian NV berkualitas berteknologi kuantum.

Saat ini, fokus pembangunan di NV dalam berlian bidang penelitiannya adalah untuk meningkatkan pembuatan berlian tersebut dan untuk meningkatkan teknologi ketepatan pembacaan.

Seperti yang dijelaskan secara komprehensif Achard dkk, 2020 ulasan: Kristal tunggal berlian CVD dengan pusat NV, keuntungan utama CVD untuk membuat berlian tingkat kuantum adalah kemampuannya untuk merekayasa lapisan bertumpuk dengan doping dan komposisi berbeda dengan cara yang dinamis dan sangat fleksibel sehingga dapat ditingkatkan skalanya. Tinjauan ini menyajikan proses terbaik yang bergantung pada aplikasi, termasuk untuk magnetometri. Rezim teknologi kuantum sebesar ∼10-15 ppm, yang diterapkan oleh tim Dark Ice, memerlukan disesuaikan kondisi pertumbuhan yang memungkinkan efisiensi doping yang tinggi, sekaligus menjaga kualitas kristal. Hasil Edmonds dkk, 2021 selanjutnya mengidentifikasi faktor pembatas sensitivitas magnetometer.  Tesis PhD Himadri Chatterjee tahun 2021 menggunakan berlian proses Element-6/Dark Ice dengan sampel berlian lainnya dan mendemonstrasikan sensitivitas deteksi medan magnet ke dalamnya ~100 nT/Hz^1/2 rezim, menggunakan magnetometri serapan IR. Dia memberikan daftar perbaikan untuk sensitivitas sistem yang mencapai puluhan PT/Hz^1/2 sensitivitas peneliti lain. Tesisnya dan Achard dkk Review merupakan sumber yang baik untuk menemukan gambaran upaya penelitian masyarakat.

Meskipun hilangnya Dark Ice mungkin menjadi berita mengkhawatirkan tentang kelayakan teknis magnetometer tersebut, jangan khawatir. Catatan ini akan meyakinkan Anda bahwa kemajuan NV dalam magnetometer berlian terus berlanjut.

Graps Amara, Ph.D. adalah fisikawan interdisipliner, ilmuwan planet, komunikator sains, dan pendidik, serta ahli dalam semua teknologi kuantum.