Magnetometri quantistici: navigare nei regni umani

Se una tecnologia quantistica non può rendere la nostra vita umana più sana, più ricca e più piacevole, allora qual è il suo valore? Questi casi d'uso della tecnologia quantistica nel regno umano: Cervelli, civiltàe Viaggio senza GPS, sondano i campi magnetici con maggiore sensibilità e facilità d'uso rispetto a prima.

L’intervallo del campo B magnetico che stiamo sondando oggi è 1pT — 1fT. Vedere la Fig. 1. Il Campo magnetico terrestre ampiezza (10^-4 T) è ~1000 volte più grande di rumore ambientale (10^-7-10^-9 T) e circa 100 milioni di volte più grandi dei campi magnetici generati nel cuoio capelluto dalle correnti neurali magnetoencefalografia (MEG)

Immagine 1. Dalla tecnologia dei sensori di campo magnetico ad alta sensibilità, diapositiva 11, di Il tutorial di David Pappas (NIST). al meeting APS 2008 di marzo dell'American Physical Society.

Recensione di Bennett et al., 2021: Magnetometri di precisione per applicazioni aerospaziali nella Fig. 2 annotata mostra la nostra area di interesse. Nel rettangolo rosso vediamo che i sensori si stanno spostando verso: dimensioni più piccole, risoluzione più precisa e requisiti di potenza inferiori. Di particolare interesse per i nostri casi d'uso sono questi quattro:

• NV = posto vacante di azoto nel diamante (vedi IQT: Deficit e asset dei diamanti quantistici);
• AVC = cella di vapore atomico: una cella di vetro contenente un vapore di 400K di atomi alcalini, sotto illuminazione laser, allineerà i suoi spin. Se è presente un campo magnetico, appare una polarizzazione o un cambiamento di ampiezza nella luce ritrasmessa (sezione 3.1 in Bennett et al's, 2021);
• SERVO = Spin Exchange Relaxation-Free: come AVC, ma vapore più denso a una temperatura più elevata, che si traduce in una sensibilità più elevata (sezione 3.1 in Bennett et al's, Revisione del 2021); E

CALAMARO = dispositivi superconduttori di interferenza quantistica; robusta tecnologia della metà degli anni '1960

Immagine 2. OM= optomeccanico, NV = centri NV nel diamante, cella di vapore atomico + SERF = tecnologia quantistica dell'atomo intrappolato, SQUID – SQUID (dispositivo di interferenza quantistica superconduttiva), da Bennett et al, recensione del 2021: Magnetometri di precisione per applicazioni aerospaziali  

Per quanto riguarda l’ OM = Optomeccanico: questo è un argomento ricco da scrivere separatamente in futuro. Se sei curioso di OM, vedi la sezione 3.2 in Bennett et al., 2021 Review, ulteriori dettagli in Li et al., 2021 Rilevamento optomeccanico della cavità.

mente
Magnetoencefalografia (MEG) è una tecnica neurofisiologica non invasiva che misura i campi magnetici generati dall'attività neuronale del cervello. MEG lo è dirette, con risoluzione temporale maggiore: ~ms, e risoluzione spaziale maggiore: ~mm, rispetto indiretto misurazioni, come fMRI, PET e SPECT.

Il gold standard per i MEG è attualmente SQUID, ma tale standard ha iniziato a spostarsi nel 2018 quanto di cella di vapore atomico (colpo) tecnologia; in particolare, a magnetometri a pompaggio ottico (OPM), con Boto et al, il nuovo sistema MEG del 2018. Sebbene i sensori SQUID abbiano una sensibilità femtotesla (fT), i sensori SQUID presentano alcuni aspetti negativi: 1) requisiti di raffreddamento criogenico, 2) movimento rigido della testa del paziente all'interno di un'unità da ~500 kg, 3) inflessibilità alle diverse dimensioni della testa. Per i pazienti pediatrici, i MEG dei sensori SQUID sono particolarmente inadatti.

Boto et al, il prototipo del sistema MEG-OPM del 2018 ha affrontato questi aspetti negativi con un casco personalizzato da circa 1 kg, su cui sono stati montati 13 sensori OPM. Ogni sensore era di 3x3x3 mm³, ⁸⁷Componente riempito con vapore Rb e riscaldato a ~150C, con temperatura corporea del casco. Il casco era un “calco scanner” stampato in 3D, progettato per la testa del paziente, utilizzando una scansione MRI anatomica. Il campo magnetico è stato indicato da un calo nella trasmissione della luce rilevabile dal fotodiodo, dopo che un raggio laser polarizzato circolarmente da 795 nm ha polarizzato lo spin degli atomi Rb della cellula.

Feys et al, lavoro di maggio 2022: Magnetometri pompati otticamente sul cuoio capelluto rispetto alla magnetoencefalografia criogenica per la valutazione diagnostica dell'epilessia nei bambini in età scolare migliora quanto sopra con 32 sensori, testati su pazienti pediatrici affetti da epilessia focale idiopatica o refrattaria. L'obiettivo della ricerca era rilevare le scariche epilettiche interictali (IED) e confrontare i dati MEG-OPM con i dati MEG-SQUID. Il lavoro di Feys et al. 2022 lo ha dimostrato MEG-OPM fornito sensibilità simile: 1-3pT/Hz^1/2, ma con un'ampiezza IED più elevata e un rapporto segnale-rumore più elevato rispetto ai MEG-SQUID convenzionali.  La Figura 3 indica l'impostazione sperimentale.

Figure 3 Configurazione sperimentale per la misurazione MEG IED di OPM rispetto a SQUID (4^th figura) da Feys et al, 2022.

Il campo di ricerca MEG è attivo con nuovi approcci che implementano progetti OPM flessibili e SERF. Un assaggio di ciò che ci aspetta può essere visto nei casi d'uso di Libro astratto della Il rumore di oggi Il segnale di domani workshop 2019.

civiltà
Il gold standard per la mappatura del campo magnetico archeologico è anche Tecnologia SQUID. Un esempio di alto profilo, che ha scoperto l'estensione storica della capitale: Karakorum dell'era mongola, è stato pubblicato di Bemmann et al, 2021, lo scorso novembre, con un'introduzione Natura. Il diario mostrava una foto sul campo dall'aspetto esotico, che includeva un carro che trasportava una serie di SQUID raffreddati crionicamente trainato da un veicolo fuoristrada. Perché la Natura dovrebbe evidenziare un risultato scientifico basato su SQUID, che è la tecnologia della metà degli anni '1960? L'intrigo ha vinto la giornata.

Suggerisco ai mappatori magnetici archeologici di considerare i vantaggi dell’approccio geofisico nell’utilizzo dei droni. Con una ricerca per parola chiave: Mappatura del campo magnetico dell'UAV, scoprirai magnetometri montati su droni, basati su cellule di vapore atomico che approssimano la sensibilità al flusso del campo magnetico dei sensori SQUID: dell'ordine di diversi pT/Hz^1/2. Inoltre, nuove modalità operative per celle di vapore atomico, come Mz disperso con spostamento della luce, che aumenterebbero ulteriormente la sensibilità del magnetometro.

Considera questi vantaggi:
1) Raccolta ed elaborazione dei dati più efficienti, 2) minori costi sul campo, 3) accesso a regioni inaccessibili o ad alto rischio, 4) maggiore sicurezza dei lavoratori, 5) Integrazione UAV con altri sensori geofisicie 6) nessuna necessità di criostati. Uno svantaggio rispetto a SQUID è il scalare, Invece di vettore, misura del flusso magnetico. Tuttavia, i sensori inerziali GPS e un'elevata frequenza di campionamento possono fornire funzionalità di mappatura. Questo video di 21 minuti di Geometria, da cui ho preso un fotogramma per la Fig. 4, dimostra un tale sistema sul campo.

Figure 4 Un fotogramma tratto da un video di Geometria, che dimostra Mappatura del campo magnetico degli UAV

Viaggio senza GPS

Dov'è Ghiaccio Scuro? Iniziamo questa sezione con un mistero. Lockheed Martin ha investito risorse significative nello sviluppo di NV nel magnetometro a diamante prototipo, con un team (guidato da MJ DiMario), an Partenariato Elemento-6 per la produzione di diamanti, Brevetti 21, Prove di Dark Ice e piani futuri, stampa pubblica (che ha portato a centinaia di articoli sulla stampa internazionale), Ghiaccio Scuro marchio e logo applicazioni, una ricerca preprint (Edmonds et al, 2020) e pubblicazione (Edmonds et al, 2021).

Eppure Lockheed Martin non ha mai dato seguito alla richiesta di richiesta del logo e la società non ha mai fornito una “dichiarazione d’uso” (SOU) del marchio all’USPTO. Pertanto il logo e il marchio sono stati eliminati (molte grazie a D. Barnes per averne compreso gli aspetti legali). Il leader del team Dark Ice ha lasciato Lockheed Martin nel 2020 per formare la propria azienda. Tra i risultati della ricerca pubblica, nella Figura 1 della prestampa, lo strumento è chiamato solo "Dispositivo" e nel corrispondente articolo di giornale del 2021, la foto dell'hardware di Dark Ice viene cancellata del tutto. Sembra che Dark Ice sia diventato "Dark".

Figure 5 Lockheed Martin Foto del comunicato stampa 2019 del dispositivo Dark Ice

Il prototipo utilizzava un diamante sintetico drogato con azoto per misurare la variazioni del campo magnetico: intensità e direzione. Quando sovrapposto alle mappe del campo magnetico terrestre, fornite dalla National Oceanic and Atmospheric Association, il prototipo ha prodotto informazioni sulla posizione della Terra. Questa tecnologia potrebbe potenzialmente supportare situazioni in cui il GPS non era disponibile o in condizioni altrimenti difficili. Secondo la prestampa e i documenti pubblicati dal team di Dark Ice, il diamante deposizione chimica da fase vapore (CVD) processo di produzione è riuscito a sondare irradiazione ed ricottura procedure per supportare la produzione di diamanti NV di qualità quantistica.

Oggi, l'attenzione allo sviluppo nel NV in diamante Il campo di ricerca è migliorare la produzione di tali diamanti e migliorare le tecnologie di fedeltà della lettura.

Come descritto nel completo Achard et al, 2020 Revisione: Cristalli singoli di diamante CVD con centri NV, il principale vantaggio della CVD per la produzione di diamanti di grado quantistico è la capacità di progettare strati impilati di diverso drogaggio e composizione in un modo dinamico e molto flessibile che può essere scalato. La Recensione presenta i migliori processi in base all'applicazione, inclusa la magnetometria. Il regime di tecnologia quantistica da ∼10-15 ppm, implementato dal team Dark Ice, richiede adattato condizioni di crescita che consentono un'elevata efficienza di drogaggio, preservando la qualità cristallina. I risultati di Edmonds et al, 2021 hanno ulteriormente identificato i fattori di sensibilità limitanti per un magnetometro.  Tesi di dottorato di Himadri Chatterjee 2021 ha utilizzato un diamante con processo Element-6/Dark Ice con altri campioni di diamanti e ha dimostrato la sensibilità di rilevamento del campo magnetico nel ~100 nT/Hz^1/2 regime, utilizzando la magnetometria di assorbimento IR. Ha fornito un elenco di miglioramenti affinché la sensibilità del sistema raggiunga le decine di pT/Hz^1/2 sensibilità di altri ricercatori. La sua tesi e la Achard et al Review sono buone fonti per trovare descrizioni degli sforzi di ricerca della comunità.

Anche se la scomparsa di Dark Ice potrebbe preoccupare notizie sulla fattibilità tecnica di tali magnetometri, non preoccuparti. Questa nota dovrebbe rassicurarti sul fatto che il progresso della NV nel magnetometro a diamante continua a progredire.

Amara Graps, Ph.D. è un fisico interdisciplinare, scienziato planetario, divulgatore scientifico ed educatore ed esperto di tutte le tecnologie quantistiche.