מגנומטרים קוונטיים: ניווט בממלכות אנושיות

אם טכנולוגיה קוונטית לא יכולה להפוך את חיי האדם שלנו לבריאים, עשירים ומהנים יותר, אז מה הערך שלה? מקרי השימוש בטכנולוגיה קוונטית ממלכת האדם: מוחות, ציוויליזציה, ו נסיעות ללא GPS, בודקים שדות מגנטיים בעלי רגישויות וקלות שימוש גדולים יותר מבעבר.

הטווח של שדה B המגנטי שאנו בודקים היום הוא 1pT - 1fT. ראה איור 1. ה השדה המגנטי של כדור הארץ משרעת (10^-4 ט) הוא גדול פי 1000 מֵאֲשֶׁר רעש סביבתי (10^-7-10^-9 T), ופי 100 מיליון גדול יותר מהשדות המגנטיים שנוצרים בקרקפת על ידי זרמים עצביים ב מגנטו-אנצפלוגרפיה (MEG)

האיור 1. מתוך רגישות גבוהה טכנולוגיית חיישן שדה מגנטי שקופית 11, של הדרכה של דיוויד פאפאס (NIST). במפגש מרץ של APS 2008 של האגודה הפיזית האמריקאית.

Bennett et al's, 2021 סקירה: מגנומטרים מדויקים ליישומי תעופה וחלל באיור המובא. 2 מציג את אזור העניין שלנו. במלבן האדום, אנו רואים שחיישנים עוברים ל: גדלים קטנים יותר, רזולוציה מדויקת יותר ודרישות חשמל קטנות יותר. המעניינים במיוחד עבור מקרי השימוש שלנו, הם ארבעה אלה:

• NV = מקום חנקן פנוי ביהלום (ראה IQT: גירעונות ונכסים של יהלומים קוונטיים);
• AVC = תא אדים אטומי: תא זכוכית המחזיק אדי 400K של אטומים אלקליים, בהארת לייזר, יישר את הספינים שלו. אם קיים שדה מגנטי, מופיע שינוי קיטוב או משרעת באור המשודר מחדש (סעיף 3.1 ב-Bennett et al's, 2021);
• צָמִית = ללא ספין החלפת הרפיה: כמו AVC, אבל אדים צפופים יותר בטמפרטורה גבוהה יותר, מה שמביא לרגישות גבוהה יותר (סעיף 3.1 ב-Bennett et al's, 2021 סקירה); ו

SQUID = התקני הפרעה קוונטית מוליכים-על; טכנולוגיה חזקה של אמצע שנות ה-1960

האיור 2. OM= optomechanical, NV = NV centers ביהלום, Atomic Vapor Cell + SERF   = טכנולוגיית אטום קוונטית לכוד, SQUID – SQUID (התקן מוליך קוונטי, מ-Bennett et al's, סקירה 2021: מגנומטרים מדויקים ליישומי תעופה וחלל  

לגבי OM = אופטומכני: זהו נושא עשיר שייכתב בנפרד בעתיד. אם אתה סקרן OM, ראה סעיף 3.2 ב-Bennett et al's, 2021 Review, פרטים נוספים ב-Li et al., 2021 חישה אופטו-מכאנית של חלל.

מוֹחַ
מגנטו-אנצפלוגרפיה (MEG) היא טכניקה נוירופיזיולוגית לא פולשנית המודדת את השדות המגנטיים הנוצרים על ידי פעילות עצבית של המוח. MEG הוא ישיר, עם רזולוציה זמנית גבוהה יותר: ~ms, ורזולוציה מרחבית גבוהה יותר: ~mm, than עקיף מדידות, כגון  fMRI, PET ו-SPECT.

תקן הזהב עבור MEGs הוא כיום SQUID, אבל התקן הזה החל להשתנות ב-2018 קוונטי תאי אד אטומי (שבץ) טֶכנוֹלוֹגִיָה; בפרט, ל מגנומטרים עם שאיבה אופטית (OPM)עם Boto et al, מערכת MEG החדשה של 2018. בעוד שלחיישני SQUID יש רגישות ל-femtotesla (fT), לחיישני SQUID יש כמה שליליות: 1) דרישות קירור קריוגני, 2) תנועה קשיחה של מטופל-ראש בתוך יחידה של ~500 ק"ג, 3) חוסר גמישות לגדלי ראש משתנים. עבור מטופלים ילדים, MEGs על ידי חיישני SQUID אינם מתאימים במיוחד.

מערכת אב הטיפוס MEG-OPM משנת 2018 של Boto et al, התייחסה לתשלילים הללו עם קסדה מותאמת אישית של ~1 ק"ג, שבה הותקנו 13 חיישני OPM. כל חיישן היה 3x3x3 מ"מ³, ⁸⁷רכיב מלא באדים ומחומם ב-~150C, עם טמפרטורת גוף של הקסדה. הקסדה הייתה 'castner-cast' מודפסת בתלת מימד, שתוכננה לראשו של המטופל, באמצעות סריקת MRI אנטומית. השדה המגנטי סומן על ידי ירידה שניתן לזהות באמצעות פוטודיודה בהעברת האור, לאחר שקרן לייזר מקוטבת מעגלית של 3 ננומטר עשתה ספין-קוטב של אטומי Rb של התא.

Feys et al, מאי 2022 עבודה: מגנומטרים עם שאיבה אופטית על הקרקפת לעומת מגנטו-אנצפלוגרפיה קריוגנית להערכה אבחנתית של אפילפסיה בילדים בגיל בית ספר משפר את האמור לעיל עם 32 חיישנים, שנבדקו עם מטופלים ילדים, הסובלים מאפילפסיה מוקדית אידיופטית או עקשנית. מטרת המחקר הייתה לזהות הפרשות אפילפטיות אינטריקטליות (IEDs) ולהשוות את נתוני MEG-OPM עם נתוני MEG-SQUID. עבודתו של Feys et al, 2022 הוכיחה זאת MEG-OPM מסופק רגישות דומה: 1-3pT/Hz^1/2, אבל משרעת IED גבוהה יותר ואות לרעש גבוה יותר מאשר MEG-SQUIDs רגילים.  איור 3 מציין את מערך הניסוי.

איור 3 הגדרה נסיונית למדידת MEG IED של OPM לעומת SQUID (4^th דמות) מ Feys et al, 2022.

תחום המחקר של MEG פעיל עם גישות חדשות המיישמות עיצובי OPM ו-SERF גמישים. הצצה למה שמצפה ניתן לראות במקרים השימוש של ה ספר מופשט של סדנת אות רעש מחר של היום 2019.

תרבויות
תקן הזהב למיפוי שדה מגנטי ארכיאולוגי הוא גם טכנולוגיית SQUID. דוגמה בולטת, שגילתה את היקפה ההיסטורי של הבירה: קאראקורום של התקופה המונגולית, הייתה לאור מאת Bemmann et al, 2021, בנובמבר האחרון, עם מוביל ב טבע. היומן הציג תמונת שטח בעלת מראה אקזוטי, שכללה עגלה הנושאת סט של SQUIDs מקורר קריונית שנמשך על ידי רכב שטח. מדוע שהטבע ידגיש תוצאה מדעית המבוססת על SQUID, שהיא טכנולוגיה של אמצע שנות ה-1960? תככים ניצחו את היום.

אני מציע למפות מגנטיים ארכיאולוגיים לשקול את היתרונות של הגישה הגיאופיזית לשימוש ברחפנים. עם חיפוש מילות מפתח: מיפוי שדה מגנטי של מל"ט, תגלו מגנומטרים רכובים על מזל"ט, המבוססים על תאי אדים אטומיים שמעריכים את רגישות שטף השדה המגנטי של חיישני SQUID: בסדר גודל של כמה pT/Hz^1/2. בנוסף, מצבי פעולה חדשים לתאי אדים אטומיים, כגון אור-משמרת מפוזר Mz, פותחו, שיגדילו עוד יותר את רגישות המגנומטר.

שקול את היתרונות הבאים:
1) איסוף ועיבוד נתונים יעילים יותר, 2) עלות שטח נמוכה יותר, 3) גישה לאזורים לא נגישים או בסיכון גבוה, 4) בטיחות עובדים גבוהה יותר, 5) שילוב כטב"ם עם חיישנים גיאופיזיים אחרים, ו-6) אין צורך בקריוסטטים. חסרון בהשוואה ל-SQUID הוא סקלר, במקום וקטור, מדידת שטף מגנטי. עם זאת, חיישני אינרציה של GPS וקצב דגימה גבוה יכולים לספק יכולות מיפוי. הסרטון הזה בן 21 דקות מ-Geometrics, שממנו תפסתי פריים עבור איור 4, מדגים מערכת כזו בשטח.

איור 4 תפיסת מסגרת מתוך סרטון Geometrics, אשר מדגים מיפוי שדה מגנטי של מל"ט

נסיעות ללא GPS

איפה הוא קרח אפל? אנחנו מתחילים את הקטע הזה עם תעלומה. לוקהיד מרטין השקיעה משאבים משמעותיים בפיתוח NV במגנטומטר יהלום אב טיפוס, עם צוות (בהנהגת M.J. DiMario), א שותפות אלמנט-6 לייצור יהלומים, פטנטים של 21, מבחני קרח אפל ותוכניות עתידיות, עיתונות ציבורית (שהוביל ל מאות מאמרי עיתונות בינלאומיים), קרח אפל סימן מסחרי וכן סֵמֶל יישומים, מחקר הדפסה מראש (Edmonds et al, 2020) ו פרסום (Edmonds, et al, 2021).

עם זאת, לוקהיד מרטין מעולם לא עקבה אחר בקשת יישום הלוגו שלה, והחברה מעולם לא סיפקה "הצהרת שימוש" (SOU) של סימן מסחרי ל-USPTO. לכן הלוגו והסימן המסחרי הושמטו (תודה רבה לד. בארנס שהבין את החוקיות). מנהיג צוות הקרח האפל עזב את לוקהיד מרטין ב-2020, כדי להקים חברה משלו. מבין תוצאות המחקר הציבוריות, באיור 1 של ההדפסה המוקדמת, המכשיר נקרא רק 'התקן', ובמאמר המגזין המקביל משנת 2021, התמונה של החומרה של קרח אפל נמחקת כליל. נראה שהקרח האפל נהיה 'כהה'.

איור 5 של לוקהיד מרטין תמונת הודעה לעיתונות 2019 של מכשיר Dark Ice

אב הטיפוס השתמש ביהלום סינטטי מסומם בחנקן כדי למדוד את שינויים בשדה המגנטי: חוזק וכיוון. כשהוא מצופה במפות של השדה המגנטי של כדור הארץ, שסופקו על ידי האגודה הלאומית לאוקיאנוס ואטמוספירה, האב-טיפוס הפיק מידע על מיקום כדור הארץ. טכנולוגיה זו עשויה לתמוך במצבים שבהם GPS אינו זמין או בתנאים מאתגרים אחרים. על פי ההדפסה המוקדמת של צוות הקרח האפל והמאמרים שפורסמו, היהלום שקיעת אדים כימית (CVD) תהליך הייצור הצליח לחקור הקרנה ו רִכּוּך נהלים לתמיכה בייצור של יהלומי NV באיכות קוונטית-טק.

כיום, מיקוד הפיתוח ב- NV ביהלום תחום המחקר הוא לשפר את הייצור של יהלומים כאלה ולשפר את טכנולוגיות נאמנות הקריאה.

כפי שמתואר במכלול Achard et al, 2020 סקירה: CVD יהלום יחיד גבישים עם מרכזי NV, היתרונות העיקריים של CVD לייצור יהלומים בדרגה קוונטית הוא היכולת להנדס שכבות מוערמות של סימום והרכב שונים בצורה דינמית וגמישה מאוד שיכולה להתאים קנה מידה. הסקירה מציגה את התהליכים הטובים ביותר התלויים ביישום, כולל למגנטומטריה. המשטר הקוונטי-טק של ~10-15 עמודים לדקה, המיושם על ידי צוות הקרח האפל, דורש מותאם תנאי גידול המאפשרים יעילות סימום גבוהה, תוך שמירה על האיכות הגבישית. התוצאות של Edmonds et al, 2021 זיהו עוד את גורמי הרגישות המגבילים עבור מגנומטר.  עבודת הדוקטורט של Himadri Chatterjee משנת 2021 השתמש ביהלום אלמנט-6/דרק קרח עם דגימות יהלומים אחרות והדגים רגישויות לזיהוי שדה מגנטי לתוך ~100 nT/Hz^1/2 משטר, באמצעות מגנומטריית בליעת IR. הוא סיפק רשימה של שיפורים כדי שהרגישות של המערכת תגיע לעשרות pT/Hz^1/2 רגישות של חוקרים אחרים. התזה שלו והסקירה של Achard et al הם מקורות טובים למצוא תיאורים של מאמצי המחקר של הקהילה.

בעוד שההיעלמות של קרח אפל עשויה להיות נוגעת לחדשות על הכדאיות הטכנית של מגנומטרים כאלה, אל תדאג. הערה זו אמורה להרגיע אותך שהתקדמות NV במגנטומטר יהלום צועדת.

Amara Graps, Ph.D. הוא פיזיקאי בינתחומי, מדען פלנטרי, מתקשר מדעי ומחנך ומומחה בכל הטכנולוגיות הקוונטיות.