Kvantemagnetometre: Navigering av menneskelige riker

Hvis en kvanteteknologi ikke kan gjøre våre menneskelige liv sunnere, rikere og morsommere, hva er dens verdi? Disse menneskelige, kvanteteknologiske brukssakene: Hjerner, sivilisasjonog GPS-fri reise, sonde magnetiske felt med større følsomhet og brukervennlighet enn før.

Rekkevidden til det magnetiske B-feltet som vi sonderer i dag er 1pT ​​- 1fT. Se fig. 1. Den Jordens magnetfelt amplitude (10^-4 T) er ~1000 ganger større enn miljøstøy (10^-7-10^-9 T), og ~100 millioner ganger større enn de magnetiske feltene som genereres i hodebunnen av nevrale strømmer i magneto-encefalografi (MEG)

Figur 1. Fra High Sensitivity Magnetic Field Sensor Technology lysbilde 11, av David Pappas (NIST) sin veiledning på APS 2008 March Meeting of the American Physical Society-møtet.

Bennett et al's, 2021 anmeldelse: Presisjonsmagnetometre for romfartsapplikasjoner i den kommenterte Fig. 2 viser vårt interesseområde. I det røde rektangelet ser vi at sensorer beveger seg til: mindre størrelser, mer presis oppløsning og mindre strømbehov. Av spesiell interesse for våre brukstilfeller er disse fire:

• NV = nitrogen ledig stilling i diamant (se IQT: Kvantediamantunderskudd og eiendeler);
• AVC = atomær dampcelle: En glasscelle som inneholder en 400K damp av alkaliatomer, ved laserbelysning, vil justere spinnene sine. Hvis et magnetfelt er tilstede, vises en polarisering eller amplitudeendring i det retransmitterte lyset (avsnitt 3.1 i Bennett et al’s, 2021);
• SERF = Spin Exchange Relaxation-Free: som AVC, men tettere damp ved høyere temperatur, noe som resulterer i en høyere følsomhet (avsnitt 3.1 i Bennett et al’s, 2021 Review); og

AKKAR = superledende kvanteinterferensenheter; robust teknologi fra midten av 1960-tallet

Figur 2. OM= optomekanisk, NV = NV-sentre i diamant, Atomic Vapor Cell + SERF   = fanget atom kvanteteknologi, SQUID – SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), fra Bennett et al’s, 2021 Review: Presisjonsmagnetometre for romfartsapplikasjoner  

Angående OM = Optomekanisk: Dette er et innholdsrikt emne som skal skrives separat i fremtiden. Hvis du er OM-nysgjerrig, se avsnitt 3.2 i Bennett et al’s, 2021 Review, ytterligere detaljer i Li et al., 2021 Hulrom optomekanisk sensor.

Brains
Magneto-encefalografi (MEG) er en ikke-invasiv, nevrofysiologisk teknikk som måler magnetfeltene som genereres av nevronal aktivitet i hjernen. MEG er direkte, med høyere tidsoppløsning: ~ms, og høyere romlig oppløsning: ~mm, enn indirekte målinger, som fMRI, PET og SPECT.

Gullstandarden for MEG-er er for tiden SQUID, men den standarden begynte å skifte i 2018 til atomdampcellekvante (slag) teknologi; spesielt til optisk pumpede magnetometre (OPM)med Boto et al, 2018s nye MEG-system. Mens SQUID-sensorer har femtotesla (fT)-følsomhet, har SQUID-sensorene noen negativer: 1) kryogene kjølekrav, 2) stiv pasienthode-bevegelse inne i en ~500 kg enhet, 3) ufleksibel til varierende hodestørrelser. For pediatriske pasienter er MEG av SQUID-sensorer spesielt uegnet.

Boto et al, 2018s MEG-OPM-prototypesystem adresserte disse negativene med en ~1 kg tilpasset hjelm, der 13 OPM-sensorer var montert. Hver sensor var en 3x3x3 mm³, ⁸⁷Rb-dampfylt og oppvarmet komponent ved ~150C, med hjelm kroppstemperatur. Hjelmen var en 3D-printet "skanner-cast", designet for pasientens hode, ved hjelp av en anatomisk MR-skanning. Magnetfeltet ble indikert av et fotodiode-detekterbart fall i lystransmisjon, etter at en 795 nm, sirkulært polarisert laserstråle, spinnpolariserte cellens Rb-atomer.

Feys et al, mai 2022 arbeid: Optisk pumpede magnetometre i hodebunnen versus kryogen magnetoencefalografi for diagnostisk evaluering av epilepsi hos barn i skolealder forbedrer på ovennevnte med 32 sensorer, testet med pediatriske pasienter, som har idiopatisk eller refraktær fokal epilepsi. Forskningsmålet var å oppdage interiktale epileptiske utladninger (IEDs) og sammenligne MEG-OPM-dataene med MEG-SQUID-data. Feys et al, 2022s arbeid viste det MEG-OPM følger med lignende følsomhet: 1-3pT/Hz^1/2, men høyere IED-amplitude og høyere signal-til-støy enn konvensjonelle MEG-SQUID-er.  Figur 3 indikerer det eksperimentelle oppsettet.

Figur 3 Eksperimentelt oppsett for MEG IED-måling av OPM versus SQUID (4^th figur) fra Feys et al., 2022.

MEG-forskningsfeltet er aktivt med nye tilnærminger som implementerer fleksible OPM- og SERF-design. Et glimt av hva som ligger foran kan sees i brukstilfellene til Abstrakt bok av Dagens Noise Tomorrow’s Signal 2019-verksted.

sivilisasjoner
Gullstandarden for arkeologisk magnetfeltkartlegging er også SQUID-teknologi. Et høyt profilert eksempel, som oppdaget den historiske utstrekningen av hovedstaden: Karakorum fra den mongolske tiden, var publisert av Bemmann et al, 2021, i november i fjor, med et forsprang Natur. Journalen viste et eksotisk utseende feltbilde, som inkluderte en vogn med et sett med kryonisk avkjølte SQUIDs som ble trukket av et terrengkjøretøy. Hvorfor skulle naturen fremheve et vitenskapelig resultat basert på SQUID, som er teknologi fra midten av 1960-tallet? Intrigue vant dagen.

Jeg foreslår arkeologiske magnetiske kartleggere å vurdere fordelene med den geofysiske tilnærmingen for å bruke droner. Med et søkeordsøk: UAV magnetfeltkartlegging, vil du oppdage dronemonterte, magnetometre, basert på atomære dampceller som tilnærmer magnetfeltfluksfølsomheten til SQUID-sensorer: i størrelsesorden flere pT/Hz^1/2. I tillegg kommer nye driftsmoduser for atomdampceller, som f.eks lys-skift-spredt Mz, har blitt utviklet, som vil øke magnetometerets følsomhet ytterligere.

Vurder disse fordelene:
1) Mer effektiv datainnsamling og behandling, 2) lavere feltkostnader, 3) tilgang til utilgjengelige eller høyrisikoregioner, 4) større arbeidssikkerhet, 5) UAV-integrasjon med andre geofysiske sensorer, og 6) ikke behov for kryostater. En ulempe sammenlignet med SQUID er skalar, i stedet for vektor, magnetisk fluksmåling. GPS-treghetssensorer og høy samplingsfrekvens kan imidlertid gi kartleggingsmuligheter. Denne 21-minutters videoen fra Geometrics, hvorfra jeg tok en ramme for Fig. 4, demonstrerer et slikt system i felten.

Figur 4 En frame-grab fra en Geometrics-video, som demonstrerer UAV magnetfeltkartlegging

GPS-fri reise

Hvor er Mørk is? Vi begynner denne delen med et mysterium. Lockheed Martin brukte betydelige ressurser på å utvikle NV i diamantmagnetometer prototype, med et team (ledet av M.J. DiMario), en Element-6 partnerskap for diamantproduksjon, 21 patenter, Dark Ice-tester og fremtidsplaner, offentlig presse (som førte til hundrevis av internasjonale presseartikler), Mørk is varemerke og en logo applikasjoner, en forskning preprint (Edmonds et al, 2020) og publikasjon (Edmonds, et al, 2021).

Likevel fulgte aldri Lockheed Martin opp forespørselen om logosøknad, og selskapet ga aldri et varemerke "erklæring om bruk" (SOU) til USPTO. Derfor ble logoen og varemerket droppet (stor takk til D. Barnes for å forstå lovlighetene). Teamlederen for Dark Ice forlot Lockheed Martin i 2020 for å danne sitt eget selskap. Av de offentlige forskningsresultatene, i figur 1 i forhåndstrykket, kalles instrumentet bare "Device", og i den tilsvarende tidsskriftsartikkelen fra 2021 er bildet av Dark Ices maskinvare slettet helt. Dark Ice ser ut til å ha blitt "Dark".

Figur 5 Lockheed Martins Pressemeldingsbilde fra 2019 av Dark Ice-enheten

Prototypen brukte en syntetisk nitrogen-dopet diamant for å måle magnetiske feltvariasjoner: styrke og retning. Når den ble overlagt med kart over jordens magnetfelt, levert av National Oceanic and Atmospheric Association, produserte prototypen jordposisjonsinformasjon. Denne teknologien vil potensielt støtte situasjoner der GPS ikke var tilgjengelig eller under andre utfordrende forhold. I følge Dark Ice-teamets forhåndstrykk og publiserte papirer, er diamanten kjemisk dampavsetning (CVD) produksjonsprosessen var vellykket å undersøke bestråling og annealing prosedyrer for å støtte produksjonen av NV-diamanter av kvanteteknologisk kvalitet.

I dag er utviklingsfokuset i NV i diamant forskningsfeltet er å forbedre produksjonen av slike diamanter og å forbedre utlesningstroskapsteknologier.

Som beskrevet i den omfattende Achard et al, 2020 gjennomgang: CVD diamant enkeltkrystaller med NV-sentre, er hovedfordelene med CVD for å lage kvantegradsdiamanter evnen til å konstruere stablede lag med forskjellig doping og sammensetning på en dynamisk og veldig fleksibel måte som kan skaleres. Gjennomgangen presenterer de beste prosessene avhengig av applikasjon, inkludert for magnetometri. Det ~10-15 ppm, kvanteteknologiske regimet, implementert av Dark Ice-teamet, krever tilpasset vekstforhold som tillater høy dopingeffektivitet, samtidig som den krystallinske kvaliteten bevares. Edmonds et al, 2021-resultatene identifiserte videre de begrensende følsomhetsfaktorene for et magnetometer.  Himadri Chatterjees doktorgradsavhandling fra 2021 brukte en Element-6/Dark Ice-prosess-diamant med andre diamantprøver og demonstrerte magnetfeltdeteksjonsfølsomheter i ~100 nT/Hz^1/2 regime, ved bruk av IR-absorpsjonsmagnetometri. Han ga en liste over forbedringer for at systemets følsomhet skal nå titalls pT/Hz^1/2 andre forskeres følsomhet. Avhandlingen hans og Achard et al Review er gode kilder for å finne beskrivelser av samfunnets forskningsinnsats.

Mens Dark Ices forsvinning kan dreie seg om nyheter om den tekniske levedyktigheten til slike magnetometre, ikke bekymre deg. Dette notatet bør forsikre deg om at NV i diamantmagnetometer-fremgangen går videre.

Amara Graps, Ph.D. er en tverrfaglig fysiker, planetforsker, vitenskapsformidler og pedagog og ekspert på alle kvanteteknologier.