양자 자기계: 인간 영역 탐색

양자 기술이 우리 인간의 삶을 더 건강하고 풍요롭고 즐겁게 만들 수 없다면 그 가치는 무엇일까요? 인간 영역의 양자 기술 사용 사례는 다음과 같습니다. 두뇌, 문명및 GPS 없는 여행, 이전보다 더 높은 감도와 사용 편의성으로 자기장을 프로브합니다.

오늘 우리가 조사하는 자기 B 필드의 범위는 1pT – 1fT입니다. 그림 1을 참조하세요. 지구의 자기장 진폭 (10^-4 티)는 ~1000배 더 커짐 보다 환경 소음 (10^-7-10^-9 T), 신경 전류에 의해 두피에서 생성되는 자기장보다 ~100억 배 더 큽니다. 자기뇌파검사(MEG)

그림 1. 고감도 자기장 센서 기술 슬라이드 11에서 David Pappas(NIST)의 튜토리얼 APS 2008 XNUMX월 미국물리학회 회의에서.

Bennett 외, 2021년 검토: 항공우주 응용 분야를 위한 정밀 자력계 주석이 달린 그림 2는 우리의 관심 영역을 보여줍니다. 빨간색 직사각형에서는 센서가 더 작은 크기, 더 정확한 해상도, 더 적은 전력 요구사항으로 이동하고 있음을 알 수 있습니다. 우리 사용 사례에서 특히 흥미로운 것은 다음 네 가지입니다.

• NV = 다이아몬드의 질소 공극(IQT 참조: 퀀텀 다이아몬드 적자 및 자산);
• AVC = 원자 증기 셀: 400K의 알칼리 원자 증기를 담고 있는 유리 셀은 레이저 조명에 따라 스핀을 정렬합니다. 자기장이 존재하는 경우 재투과된 빛의 편광 또는 진폭 변화가 나타납니다(Bennett et al’s, 3.1의 섹션 2021).
• 농노 = 스핀 교환 이완 없음: AVC와 유사하지만 더 높은 온도에서 증기 밀도가 높아져 감도가 높아집니다(Bennett et al의 3.1년 리뷰 섹션 2021). 그리고

오징어 = 초전도 양자 간섭 장치; 강력한 1960년대 중반 기술

그림 2. OM= 광기계식, NV = 다이아몬드의 NV 중심, 원자 증기 세포 + SERF   = 갇힌 원자 양자 기술, SQUID – SQUID(초전도 양자 간섭 장치), Bennett 외의 논문, 2021 검토: 항공우주 응용 분야를 위한 정밀 자력계  

에 관해서 OM = 광기계: 앞으로 별도로 작성해야 할 풍성한 주제입니다. OM에 대해 궁금하신 경우 Bennett et al., 3.2 Review의 섹션 2021를 참조하세요. 자세한 내용은 Li et al., 2021을 참조하세요. 캐비티 광기계적 감지.

두뇌
자기뇌파검사 (멕) 뇌의 신경 활동에 의해 생성된 자기장을 측정하는 비침습적 신경생리학적 기술입니다. MEG는 곧장, 더 높은 시간 해상도: ~ms 및 더 높은 공간 해상도: ~mm 간접적 인 fMRI, PET, SPECT와 같은 측정.

MEG의 표준은 현재 SQUID이지만 해당 표준은 2018년부터 SQUID로 바뀌기 시작했습니다. 원자 증기 셀 양자 (뇌졸중) 기술; 특히, 광학 펌핑 자력계(OPM)과 Boto et al, 2018년의 새로운 MEG 시스템. SQUID 센서에는 fT(펨토테슬라) 감도가 있지만 SQUID 센서에는 몇 가지 부정적인 점이 있습니다. 1) 극저온 냉각 요구 사항, 2) ~500kg 장치 내부에서 환자의 머리 움직임이 엄격함, 3) 다양한 머리 크기에 유연성이 없음. 소아 환자의 경우 SQUID 센서의 MEG는 특히 적합하지 않습니다.

Boto 등의 2018년 MEG-OPM 프로토타입 시스템은 1개의 OPM 센서가 장착된 ~13kg 맞춤형 헬멧을 사용하여 이러한 단점을 해결했습니다. 각 센서는 3x3x3mm였습니다.³, ⁸⁷헬멧 체온과 함께 ~150C에서 Rb 증기로 채워지고 가열되는 구성 요소입니다. 헬멧은 해부학적 MRI 스캔을 사용하여 환자의 머리에 맞게 설계된 3D 프린팅된 '스캐너 캐스트'였습니다. 자기장은 795nm의 원형 편광 레이저 빔이 셀의 Rb 원자를 스핀 편광한 후 포토다이오드에서 감지할 수 있는 광 투과율 저하로 표시되었습니다.

Feys et al, 2022년 XNUMX월 작업: 학령기 아동의 간질 진단 평가를 위한 두피 광학 펌프 자력계와 극저온 자기뇌파검사 비교 특발성 또는 불응성 국소 간질이 있는 소아 환자를 대상으로 테스트한 32개 센서를 사용하여 위의 내용을 개선했습니다. 연구 목표는 간질 간질 방전(IED)을 감지하고 MEG-OPM 데이터를 MEG-SQUID 데이터와 비교하는 것이었습니다. Feys 외, 2022년의 연구는 다음을 입증했습니다. MEG-OPM 제공 유사한 감도: 1-3pT/Hz^1/2그러나 기존 MEG-SQUID보다 IED 진폭이 높고 신호 대 잡음비가 더 높습니다..  그림 3은 실험 설정을 나타냅니다.

그림 3 OPM 대 SQUID의 MEG IED 측정을 위한 실험 설정(4^th 그림)에서 Feys 외, 2022년.

MEG 연구 분야는 유연한 OPM 및 SERF 설계를 구현하는 새로운 접근 방식으로 활발히 활동하고 있습니다. 사용 사례에서 앞으로의 상황을 엿볼 수 있습니다. 초록서 의 오늘의 노이즈 내일의 시그널 2019 워크숍.

문명
고고학 자기장 매핑의 표준은 다음과 같습니다. 또한 오징어 기술. 몽골 시대 수도인 카라코룸의 역사적 규모를 밝혀낸 주목할만한 사례는 다음과 같습니다. 출판 Bemmann et al, 2021년 XNUMX월, 자연. 저널에는 오프로드 차량이 끄는 극저온 냉각 오징어 세트를 운반하는 마차가 포함된 이국적인 모습의 현장 사진이 표시되었습니다. 네이처는 왜 1960년대 중반 기술인 SQUID를 기반으로 한 과학적 결과를 강조했을까요? 음모가 승리했습니다.

나는 고고학 자기 매퍼들에게 드론 사용에 대한 지구물리학 접근 방식의 이점을 고려할 것을 제안합니다. 키워드 검색: UAV 자기장 매핑, 다음을 기반으로 드론에 장착된 자력계를 발견하게 됩니다. 원자 증기 셀 SQUID 센서의 자기장 자속 감도에 근접한 값: 수 pT/Hz 정도^1/2. 또한 다음과 같은 원자 증기 전지의 새로운 작동 모드가 있습니다. 광편이 분산 Mz가 개발되어 자력계의 감도를 더욱 높일 수 있습니다.

다음과 같은 이점을 고려하십시오.
1) 보다 효율적인 데이터 수집 및 처리, 2) 현장 비용 절감, 3) 접근이 불가능하거나 위험이 높은 지역에 대한 접근, 4) 작업자 안전 향상, 5) 다른 지구물리학 센서와 UAV 통합, 및 6) 저온 유지 장치가 필요하지 않습니다. SQUID에 비해 단점은 스칼라대신의 벡터, 자속 측정. 그러나 GPS 관성 센서와 높은 샘플링 속도는 매핑 기능을 제공할 수 있습니다. 내가 그림 21의 프레임을 캡처한 기하학의 4분짜리 비디오, 보여줍니다 현장에 이런 시스템이 있다.

그림 4 기하학 비디오의 프레임 캡처입니다. 보여줍니다 UAV 자기장 매핑

GPS 없는 여행

어디 있어요 다크 아이스? 이 섹션은 미스터리로 시작됩니다. 록히드 마틴은 개발에 상당한 자원을 투자했습니다. 다이아몬드 자력계의 NV M.J. DiMario가 이끄는 팀과 함께 프로토타입을 제작했습니다. Element-6 파트너십 다이아몬드 제조를 위해, 21 특허, Dark Ice 테스트 및 향후 계획, 대중 언론 (이로 인해 수백 개의 국제 언론 기사), 다크 아이스 등록 상표 및 심벌 마크 응용 프로그램, 연구 프리 프린트 (Edmonds 외, 2020) 및 출판 (에드먼즈 외, 2021)

그러나 록히드 마틴은 로고 신청 요청을 전혀 따르지 않았으며 회사는 USPTO에 상표 "사용 설명서"(SOU)를 제공하지 않았습니다. 따라서 로고와 상표는 삭제되었습니다(합법성을 이해해준 D. Barnes에게 많은 감사를 드립니다). Dark Ice 팀 리더는 2020년 록히드 마틴을 떠나 자신의 회사를 설립했습니다. 공개된 연구 결과 중 사전 인쇄된 그림 1에는 기기 이름이 'Device'로만 명시되어 있으며, 해당 2021년 저널 기사에서는 Dark Ice의 하드웨어 사진이 완전히 삭제되었습니다. Dark Ice가 'Dark' 상태로 변한 것 같습니다.

그림 5 록히드 마틴의 2019 보도자료 사진 다크 아이스 장치의

프로토타입은 합성 질소 도핑 다이아몬드를 사용하여 측정했습니다. 자기장의 변화: 강도와 방향. 국립해양대기협회(National Oceanic and Atmospheric Association)에서 제공한 지구 자기장 지도를 오버레이했을 때 프로토타입은 지구 위치 정보를 생성했습니다. 이 기술은 GPS를 사용할 수 없거나 기타 까다로운 조건에 있는 상황을 잠재적으로 지원할 수 있습니다. Dark Ice 팀의 사전 인쇄 및 출판 논문에 따르면 다이아몬드는 화학기상증착(CVD) 제조 공정이 성공적으로 조사되었습니다. 조사 과 가열 냉각 양자 기술 품질의 NV 다이아몬드 제조를 지원하는 절차.

오늘은 개발에 중점을 두고 있는 다이아몬드의 NV 연구 분야는 이러한 다이아몬드의 제조를 개선하고 판독 충실도 기술을 향상시키는 것입니다.

종합편에 설명된 대로 Achard 외, 2020 검토 : NV 센터가 있는 CVD 다이아몬드 단결정양자 등급 다이아몬드를 만들기 위한 CVD의 주요 장점은 다양한 도핑과 구성의 적층된 레이어를 역동적이고 확장 가능한 매우 유연한 방식으로 엔지니어링할 수 있다는 것입니다. 리뷰에서는 자기측정법을 포함하여 애플리케이션에 따른 최상의 프로세스를 제시합니다. Dark Ice 팀이 구현한 ~10-15ppm, 양자 기술 체계에는 다음이 필요합니다. 적응 된 결정 품질을 유지하면서 높은 도핑 효율을 허용하는 성장 조건입니다. Edmonds 외, 2021년 결과는 자력계의 제한 감도 요소를 추가로 식별했습니다.  Himadri Chatterjee의 2021년 박사 논문 다른 다이아몬드 샘플과 함께 Element-6/Dark Ice 프로세스 다이아몬드를 사용했으며 자기장 감지 감도를 시연했습니다. ~100nT/Hz^1/2 IR 흡수 자기 측정법을 사용하는 정권. 그는 시스템 감도가 수십에 도달하도록 개선된 목록을 제공했습니다. pT/Hz^1/2 다른 연구자들의 민감도. 그의 논문과 Achard et al Review는 커뮤니티의 연구 노력에 대한 설명을 찾을 수 있는 좋은 출처입니다.

Dark Ice의 실종은 그러한 자력계의 기술적 실행 가능성에 대한 우려스러운 소식일 수 있지만 걱정하지 마십시오. 이 노트는 다이아몬드 자력계의 NV 발전이 계속되고 있음을 확신시켜 줄 것입니다.

아마라 그래프스 박사 학제간 물리학자, 행성 과학자, 과학 커뮤니케이터, 교육자이자 모든 양자 기술 전문가입니다.