By Amara Grapjes geplaatst 26 juli 2022
Als een kwantumtechnologie ons menselijk leven niet gezonder, rijker en leuker kan maken, wat is dan de waarde ervan? Deze gebruiksscenario's voor het menselijk domein en de kwantumtechnologie: Hersenen, beschaving en GPS-vrij reizen, meet magnetische velden met grotere gevoeligheden en gebruiksgemak dan voorheen.
Het bereik van het magnetische B-veld dat we vandaag onderzoeken is 1pT – 1fT. Zie Afb. 1. De Het magnetisch veld van de aarde amplitude (10-4 T) is ~1000 keer groter neem contact omgevingslawaai (10-7-10-9 T), en ~100 miljoen keer groter dan de magnetische velden die op de hoofdhuid worden gegenereerd door neurale stromen in magneto-encefalografie (MEG)
Figuur 1. Van hooggevoelige magnetische veldsensortechnologie dia 11, van Tutorial van David Pappas (NIST). op de APS 2008 March Meeting van de American Physical Society-bijeenkomst.
Bennett et al's, recensie uit 2021: Precisiemagnetometers voor lucht- en ruimtevaarttoepassingen in de geannoteerde afbeelding toont figuur 2 ons interessegebied. In de rode rechthoek zien we dat sensoren evolueren naar: kleinere afmetingen, nauwkeurigere resolutie en kleinere stroomvereisten. Van bijzonder belang voor onze gebruiksscenario's zijn deze vier:
- NV = stikstofvacature in diamant (zie IQT: Quantum Diamond-tekorten en -activa);
- AVC = atoomdampcel: Een glazen cel die een damp van 400K alkali-atomen bevat, zal bij laserbelichting zijn spins uitlijnen. Als er een magnetisch veld aanwezig is, treedt er een polarisatie- of amplitudeverandering op in het opnieuw uitgezonden licht (paragraaf 3.1 in Bennett et al's, 2021);
- LIJFEIGENE = Spin Exchange Relaxation-Free: zoals AVC, maar dichtere damp bij een hogere temperatuur, wat resulteert in een hogere gevoeligheid (paragraaf 3.1 in Bennett et al's, 2021 Review); En
INKTVIS = supergeleidende kwantuminterferentie-apparaten; robuuste technologie uit het midden van de jaren zestig
Figuur 2. OM= optomechanisch, NV = NV-centra in diamant, Atomic Vapor Cell + SERF = gevangen atomen-kwantumtechnologie, SQUID – SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), van Bennett et al's, 2021 Review: Precisiemagnetometers voor lucht- en ruimtevaarttoepassingen
met betrekking tot OM = Optomechanisch: dit is een rijk onderwerp dat in de toekomst afzonderlijk zal worden geschreven. Als je OM-nieuwsgierig bent, zie paragraaf 3.2 in Bennett et al's, 2021 Review, verdere details in Li et al., 2021 Optomechanische detectie van holtes.
Brains
Magneto-encefalografie (MEG) is een niet-invasieve, neurofysiologische techniek die de magnetische velden meet die worden gegenereerd door neuronale activiteit van de hersenen. MEG is directe, met een hogere temporele resolutie: ~ms, en een hogere ruimtelijke resolutie: ~mm, dan indirect metingen, zoals fMRI, PET en SPECT.
De gouden standaard voor MEG's is momenteel SQUID, maar die standaard begon in 2018 te verschuiven atomaire dampcelkwantum (hartinfarct) technologie; in het bijzonder aan optisch gepompte magnetometers (OPM's)met Boto et al, het nieuwe MEG-systeem van 2018. Hoewel SQUID-sensoren femtotesla (fT)-gevoeligheid hebben, hebben de SQUID-sensoren enkele minpunten: 1) cryogene koelingsvereisten, 2) rigide hoofdbewegingen van de patiënt in een eenheid van ~500 kg, 3) inflexibiliteit bij verschillende hoofdgroottes. Voor pediatrische patiënten zijn MEG's van SQUID-sensoren bijzonder ongeschikt.
Boto et al., het MEG-OPM-prototypesysteem uit 2018 pakte deze negatieven aan met een op maat gemaakte helm van ongeveer 1 kg, waarop 13 OPM-sensoren waren gemonteerd. Elke sensor was 3x3x3 mm3, 87Met Rb-damp gevuld en verwarmd onderdeel van ~150C, met lichaamstemperatuur van de helm. De helm was een 3D-geprinte 'scanner-cast', ontworpen voor het hoofd van de patiënt, met behulp van een anatomische MRI-scan. Het magnetische veld werd aangegeven door een door een fotodiode detecteerbare daling van de lichttransmissie, nadat een circulair gepolariseerde laserstraal van 795 nm de Rb-atomen van de cel spin-gepolariseerd had.
Feys et al, mei 2022 werken: Optisch gepompte magnetometers op de hoofdhuid versus cryogene magneto-encefalografie voor diagnostische evaluatie van epilepsie bij schoolgaande kinderen verbetert het bovenstaande met 32 sensoren, getest bij pediatrische patiënten met idiopathische of refractaire focale epilepsie. Het onderzoeksdoel was om interictale epileptische ontladingen (IED's) te detecteren en de MEG-OPM-gegevens te vergelijken met MEG-SQUID-gegevens. Het werk van Feys et al. uit 2022 heeft dat aangetoond MEG-OPM verstrekt vergelijkbare gevoeligheid: 1-3pT/Hz1/2, maar hogere IED-amplitude en hogere signaal-ruisverhouding dan conventionele MEG-SQUID's. Figuur 3 geeft de experimentele opstelling weer.
Figuur 3 Experimentele opstelling voor MEG IED-meting van OPM versus SQUID (4th figuur) van Feys et al, 2022.
Het MEG-onderzoeksveld is actief met nieuwe benaderingen die flexibele OPM- en SERF-ontwerpen implementeren. Een glimp van wat ons te wachten staat, is te zien in de gebruiksscenario's van de Abstract boek van de De workshop Noise Tomorrow's Signal 2019 van vandaag.
beschavingen
De gouden standaard voor het in kaart brengen van archeologische magnetische velden is ook SQUID-technologie. Een spraakmakend voorbeeld, dat de historische omvang van de hoofdstad ontdekte: Karakorum uit het Mongoolse tijdperk, was gepubliceerde door Bemmann et al, 2021, afgelopen november, met een voorsprong in NATUUR. Het tijdschrift toonde een exotisch ogende veldfoto, waarop een wagen te zien was met een stel cryonisch gekoelde SQUID's die werden getrokken door een terreinwagen. Waarom zou de natuur een wetenschappelijk resultaat benadrukken dat gebaseerd is op SQUID, een technologie uit het midden van de jaren zestig? Intriges wonnen de dag.
Ik stel voor dat archeologische magnetische kaartenmakers de voordelen van de geofysische benadering van het gebruik van drones overwegen. Met een trefwoordzoekopdracht: UAV-magneetveldkaarten, ontdek je op drones gemonteerde magnetometers, gebaseerd op atomaire dampcellen die de magnetische veldfluxgevoeligheid van SQUID-sensoren benaderen: in de orde van enkele pT/Hz1/2. Bovendien zijn er nieuwe operationele modi voor atomaire dampcellen, zoals lichtverschuiving-verstrooide Mz, zijn ontwikkeld, die de gevoeligheid van de magnetometer verder zouden vergroten.
Overweeg deze voordelen:
1) Efficiëntere gegevensverzameling en -verwerking, 2) lagere veldkosten, 3) toegang tot ontoegankelijke of hoogrisicogebieden, 4) grotere veiligheid van werknemers, 5) UAV-integratie met andere geofysische sensorenen 6) geen behoefte aan cryostaten. Een nadeel ten opzichte van SQUID is de scalairgebruik je, in plaats van vector, magnetische fluxmeting. GPS-traagheidssensoren en een hoge bemonsteringssnelheid kunnen echter kaartmogelijkheden bieden. Deze 21 minuten durende video van Geometrisches, waaruit ik een frame heb gepakt voor figuur 4, demonstreert een dergelijk systeem in het veld.
Figuur 4 Een frame-opname uit een Geometrische video, die demonstreert UAV-magneetveldkaarten
GPS-vrij reizen
Waar is Donker ijs? We beginnen dit gedeelte met een mysterie. Lockheed Martin heeft aanzienlijke middelen gestoken in de ontwikkeling van de NV in diamantmagnetometer prototype, met een team (onder leiding van MJ DiMario), een Element-6-partnerschap voor de vervaardiging van diamanten, 21-patenten, Dark Ice-tests en toekomstplannen, publieke pers (wat leidde tot honderden internationale persstukken), Donker ijs handelsmerk en logo toepassingen, een onderzoek preprint (Edmonds et al, 2020) en uitgave (Edmonds, et al, 2021).
Toch heeft Lockheed Martin nooit gevolg gegeven aan het verzoek om een logo aan te vragen, en heeft het bedrijf nooit een ‘verklaring van gebruik’ (SOU) aan de USPTO verstrekt. Daarom zijn het logo en het handelsmerk geschrapt (met dank aan D. Barnes voor het begrijpen van de wettigheid). De teamleider van Dark Ice verliet Lockheed Martin in 2020 om zijn eigen bedrijf op te richten. Van de openbare onderzoeksresultaten heet het instrument in Figuur 1 van de voordruk alleen 'Device', en in het bijbehorende tijdschriftartikel uit 2021 wordt de foto van de hardware van Dark Ice helemaal verwijderd. Dark Ice lijkt 'Dark' te zijn geworden.
Figuur 5 Lockheed Martins Foto persbericht 2019 van het Dark Ice-apparaat
Het prototype gebruikte een synthetische, met stikstof gedoteerde diamant om de variaties in het magnetische veld: sterkte en richting. Wanneer het prototype werd bedekt met kaarten van het magnetische veld van de aarde, geleverd door de National Oceanic and Atmospheric Association, produceerde het informatie over de locatie van de aarde. Deze technologie zou mogelijk situaties ondersteunen waarin GPS niet beschikbaar was of in anderszins uitdagende omstandigheden. Volgens de voordruk en gepubliceerde papieren van het Dark Ice-team, is de diamant van chemische dampafzetting (CVD) productieproces was succesvol om te onderzoeken bestraling en gloeien procedures ter ondersteuning van de vervaardiging van NV-diamanten van kwantumtechkwaliteit.
Tegenwoordig ligt de ontwikkelingsfocus in de NV in diamant onderzoeksgebied is het verbeteren van de productie van dergelijke diamanten en het verbeteren van de uitleesgetrouwheidstechnologieën.
Zoals beschreven in het uitgebreide Achard et al, 2020 review: CVD diamanten enkele kristallen met NV-centrazijn de belangrijkste voordelen van CVD voor het maken van diamanten van kwantumkwaliteit het vermogen om gestapelde lagen met verschillende doping en samenstelling te ontwikkelen op een dynamische en zeer flexibele manier die kan worden geschaald. De Review presenteert de beste processen, afhankelijk van de toepassing, ook voor magnetometrie. Het kwantumtech-regime van ~10-15 ppm, geïmplementeerd door het Dark Ice-team, vereist aangepast groeiomstandigheden die een hoge doteringsefficiëntie mogelijk maken, terwijl de kristallijne kwaliteit behouden blijft. De resultaten van Edmonds et al, 2021 identificeerden verder de beperkende gevoeligheidsfactoren voor een magnetometer. Het proefschrift van Himadri Chatterjee uit 2021 gebruikte een Element-6/Dark Ice-process diamant met andere diamantmonsters en demonstreerde magnetische velddetectiegevoeligheden in de ~100 nT/Hz1/2 regime, met behulp van IR-absorptiemagnetometrie. Hij gaf een lijst met verbeteringen om de gevoeligheid van het systeem tot tientallen te verhogen pT/Hz1/2 gevoeligheid van andere onderzoekers. Zijn proefschrift en de Achard et al Review zijn goede bronnen om beschrijvingen te vinden van de onderzoeksinspanningen van de gemeenschap.
Hoewel de verdwijning van Dark Ice zorgwekkend kan zijn over de technische haalbaarheid van dergelijke magnetometers, hoeft u zich geen zorgen te maken. Deze nota zou u moeten geruststellen dat de vooruitgang van NV op het gebied van diamantmagnetometers voortduurt.
Amara Graps, Ph.D. is een interdisciplinaire natuurkundige, planetaire wetenschapper, wetenschapscommunicator en opvoeder en expert op het gebied van alle kwantumtechnologieën.
