By アマラ グラプス 26 年 2022 月 XNUMX 日に投稿
量子テクノロジーが人間の生活をより健康に、より豊かに、そしてより楽しくすることができないとしたら、その価値は何でしょうか?人間の領域における量子テクノロジーのユースケースは次のとおりです。 頭脳、文明, GPS を使用しない旅行、以前よりも優れた感度と使いやすさで磁場をプローブします。
私たちが今日調査している磁界 B の範囲は 1pT — 1fT です。図 1 を参照してください。 地球の磁場 振幅 (10-4 た）は ～1000倍大きい より 環境騒音 （10-7-10-9 T)、神経電流によって頭皮に生成される磁場よりも約 100 億倍大きい。 脳磁図検査 (MEG)
図1。 高感度磁界センサー技術のスライド 11 より David Pappas (NIST) のチュートリアル アメリカ物理学会のAPS 2008 March Meetingにて。
Bennett et al、2021 年のレビュー: 航空宇宙用途向けの高精度磁力計 注釈付きの図 2 は、私たちの関心領域を示しています。赤い四角形では、センサーがより小さいサイズ、より正確な解像度、より小さい電力要件に移行していることがわかります。私たちのユースケースで特に興味深いのは、次の XNUMX つです。
- NV = ダイヤモンドの窒素空孔 (IQT を参照: 量子ダイヤモンドの赤字と資産);
- AVC = 原子蒸気セル: アルカリ原子の 400K 蒸気を保持するガラス セルは、レーザー照射を受けると、そのスピンを揃えます。磁場が存在すると、再透過光の偏光または振幅の変化が現れます (Bennett et al’s, 3.1 のセクション 2021)。
- 農奴 = スピン交換緩和フリー: AVC と似ていますが、高温で蒸気がより高密度になるため、感度が高くなります (Bennett et al's, 3.1 Review のセクション 2021)。そして
いか = 超伝導量子干渉デバイス; 1960 年代中期の堅牢なテクノロジー
図2。 OM= オプトメカニカル、NV = ダイヤモンドの NV センター、原子蒸気セル + SERF = トラップ原子量子技術、SQUID – SQUID (超電導量子干渉装置)、Bennett et al's、2021 レビューより: 航空宇宙用途向けの高精度磁力計
について OM = オプトメカニカル: これは将来的に別途書かれる豊富なトピックです。 OM に興味がある場合は、Bennett et al., 3.2 Review のセクション 2021 を参照してください。詳細については、Li et al., 2021 を参照してください。 キャビティ光機械センシング.
ブレインズ
脳磁図検査 (メグ) これは、脳の神経活動によって生成される磁場を測定する非侵襲性の神経生理学的技術です。メグは 直接、より高い時間分解能: ~ms、およびより高い空間分解能: ~mm 間接的な fMRI、PET、SPECTなどの測定。
現在、MEG のゴールドスタンダードは SQUID ですが、その標準は 2018 年に移行し始めました。 原子蒸気電池量子 （脳卒中） テクノロジー;特に、 光ポンピング磁力計 (OPM)、と Boto et al、2018 年の新しい MEG システム。 SQUID センサーはフェムトテスラ (fT) の感度を持っていますが、SQUID センサーにはいくつかの欠点があります。1) 極低温冷却要件、2) 約 500 kg のユニット内での患者の頭部の動きは厳格であり、3) さまざまな頭部サイズに対する柔軟性の低さ。小児患者の場合、SQUID センサーによる MEG は特に適していません。
Boto らの 2018 年の MEG-OPM プロトタイプ システムでは、1 個の OPM センサーが取り付けられた約 13 kg のカスタム ヘルメットでこれらの欠点に対処しました。各センサーは 3x3x3 mm でした3, 87Rb 蒸気が充填され、ヘルメット本体の温度で約 150 ℃に加熱されたコンポーネント。このヘルメットは、解剖学的 MRI スキャンを使用して患者の頭部に合わせて設計された、3D プリントされた「スキャナー キャスト」でした。磁場は、795 nmの円偏光レーザービームが細胞のRb原子をスピン偏極させた後、フォトダイオードで検出可能な光透過率の低下によって示されました。
Feys et al、2022 年 XNUMX 月の研究: 学齢期の小児のてんかんの診断評価のための頭皮上の光ポンピング磁力計と極低温脳磁計の比較 は、特発性または難治性局所てんかんを患う小児患者を対象にテストされた 32 個のセンサーで上記を改良しています。研究の目標は、発作間欠性てんかん放電 (IED) を検出し、MEG-OPM データと MEG-SQUID データを比較することでした。 Feys らの 2022 年の研究では、次のことが実証されました。 MEG-OPM提供 同様の感度: 1-3pT/Hz1/2ただし、従来の MEG-SQUID よりも高い IED 振幅と高い信号対雑音比. 図 3 は実験装置を示しています。
図3 OPM と SQUID の MEG IED 測定の実験セットアップ (4)th 図）から フェイズら、2022.
MEG 研究分野では、柔軟な OPM および SERF 設計を実装する新しいアプローチが活発に行われています。将来のことを垣間見ることができるのは、 抄録本 今日の騒音明日のシグナル2019ワークショップ.
文明
考古学的磁場マッピングのゴールドスタンダードは、 また SQUIDテクノロジー。首都の歴史的範囲を発見した注目の例は、モンゴル時代のカラコルムです。 公表 Bemmann et al、2021年、昨年XNUMX月、リード 自然。この雑誌には、オフロード車が牽引する一連の極低温冷却 SQUID を積んだワゴンなど、エキゾチックに見える現場の写真が掲載されていました。 Nature はなぜ、1960 年代半ばのテクノロジーである SQUID に基づいた科学成果を強調するのでしょうか?その日は陰謀が勝利した。
私は考古学の磁気地図作成者に、ドローンを使用する地球物理学的なアプローチの利点を考慮することを提案します。キーワード検索の場合: UAV磁場マッピングに基づいて、ドローンに取り付けられた磁力計を発見します。 原子蒸気電池 SQUIDセンサーの磁束感度に近似：数pT/Hz程度1/2。さらに、原子蒸気セルの新しい動作モードには、次のようなものがあります。 光シフト分散型Mz、磁力計の感度をさらに向上させるものが開発されました。
次の利点を考慮してください。
1) より効率的なデータ収集と処理、2) 現場コストの削減、3) アクセスできない領域または高リスク領域へのアクセス、4) 作業者の安全性の向上、5) UAV と他の地球物理センサーの統合、6) クライオスタットは必要ありません。 SQUID と比較した場合の欠点は、 スカラーの代わりに、 ベクター、 磁束測定。ただし、GPS 慣性センサーと高いサンプリング レートにより、マッピング機能を提供できます。 Geometrics からのこの 21 分間のビデオから、図 4 のフレームを取得しました。 実証 現場ではそんなシステム。
図4 ジオメトリクスビデオからのフレームキャプチャ。 実証 UAV磁場マッピング
GPS を使わない旅行
どこにありますか ダークアイス?このセクションは謎から始まります。ロッキード・マーティンは多大なリソースを開発に投入しました。 NV in ダイヤモンド磁力計 プロトタイプ、チーム (M.J. ディマリオ率いる) とともに、 Element-6 パートナーシップ ダイヤモンド製造用、 21の特許, Dark Ice のテストと将来の計画, 公共の報道 （それが結果的に 何百もの国際的な報道記事)、ダークアイス 商標 フォルダーとその下に ロゴ 応用、研究 プレプリント (Edmonds et al、2020) および 出版物 (エドモンズら、2021)。
しかし、ロッキード・マーチン社はロゴの申請要求に従うことはなく、商標の「使用声明」（SOU）を米国特許商標庁に提出することもなかった。したがって、ロゴと商標は削除されました (合法性を理解してくださった D. Barnes に感謝します)。ダークアイスチームのリーダーは、2020年にロッキード・マーティン社を退職し、自身の会社を設立した。公開された研究結果のうち、プレプリントの図 1 では、この機器は「デバイス」とのみ呼ばれており、対応する 2021 年のジャーナル記事では、Dark Ice のハードウェアの写真は完全に削除されています。ダークアイスは「ダーク」になったようです。
図5 ロッキードマーティンの 2019年プレスリリース写真 ダークアイス装置の
プロトタイプでは、窒素をドープした合成ダイヤモンドを使用して、 磁場の変化: 強さと方向。米国海洋大気協会から提供された地球の磁場の地図を重ね合わせると、プロトタイプは地球の位置情報を生成しました。このテクノロジーは、GPS が利用できない状況や困難な状況をサポートする可能性があります。ダークアイスチームのプレプリントと出版された論文によると、ダイヤモンドの 化学蒸着 (CVD) 製造プロセスの調査に成功した 照射 & アニーリング 量子技術品質のNVダイヤモンドの製造をサポートする手順。
現在、開発の焦点は、 ダイヤモンドのNV 研究分野は、そのようなダイヤモンドの製造を改善し、読み出し忠実度技術を改善することです。
総括で説明したように、 アチャードら、2020 レビュー： NVセンターを有するCVDダイヤモンド単結晶量子グレードのダイヤモンドを製造するための CVD の主な利点は、拡張可能な動的かつ非常に柔軟な方法で、異なるドーピングと組成の積層層を設計できることです。このレビューでは、磁力測定などのアプリケーションに応じた最適なプロセスを紹介します。 Dark Ice チームによって実装された、〜10 ～ 15 ppm の量子技術体制では、 適合しました 結晶品質を維持しながら、高いドーピング効率を可能にする成長条件。 Edmonds et al.の 2021 年の結果では、磁力計の感度を制限する要因がさらに特定されました。 ヒマドリ・チャタジーの 2021 年博士論文 Element-6/ダークアイスプロセスダイヤモンドを他のダイヤモンドサンプルとともに使用し、磁場検出感度を実証しました。 ～100nT/Hz1/2 IR吸収磁力計を使用した体制。彼は、システムの感度を数十に達するための改善点のリストを提供しました。 pT/Hz1/2 他の研究者の感受性。彼の論文と Achard et al Review は、コミュニティの研究活動の説明を見つけるための優れた情報源です。
ダークアイスの失踪は、そのような磁力計の技術的実行可能性に関する懸念すべきニュースかもしれませんが、心配する必要はありません。このメモは、ダイヤモンド磁力計の NV の進歩が順調に進んでいることを安心させるものです。
アマラ・グラプス博士 学際的な物理学者、惑星科学者、科学コミュニケーターおよび教育者であり、すべての量子技術の専門家です。
