Magnetometry kwantowe: nawigacja w ludzkich królestwach

Jeśli technologia kwantowa nie może uczynić naszego życia zdrowszym, bogatszym i przyjemniejszym, to jaka jest jej wartość? Oto przypadki użycia technologii kwantowej w sferze ludzkiej: Mózgi, cywilizacja, Podróż bez GPS, sonduj pola magnetyczne z większą czułością i łatwością obsługi niż wcześniej.

Zakres magnetycznego pola B, które dzisiaj badamy, wynosi 1 pT — 1 fT. Patrz rys. 1 Pole magnetyczne Ziemi amplituda (10^-4 T) jest ~1000 razy większy niż hałas otoczenia (10^-7-10^-9 T) i ~100 milionów razy większe niż pola magnetyczne generowane na skórze głowy przez prądy nerwowe magnetoencefalografia (MEG)

Rysunek 1. Z technologii czujników pola magnetycznego o wysokiej czułości, slajd 11, z Poradnik Davida Pappasa (NIST). na marcowym spotkaniu APS 2008 spotkania Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego.

Bennett i wsp., Recenzja z 2021 r.: Precyzyjne magnetometry do zastosowań lotniczych na opatrzonym komentarzem Ryc. 2 pokazuje nasz obszar zainteresowań. W czerwonym prostokącie widzimy, że czujniki przechodzą w kierunku: mniejszych rozmiarów, dokładniejszej rozdzielczości i mniejszych wymagań dotyczących zasilania. Szczególnie interesujące w naszych przypadkach użycia są następujące cztery:

• NV = wakat azotu w diamencie (patrz IQT: Deficyty i aktywa diamentu kwantowego);
• AVC = ogniwo atomowe: Szklane ogniwo zawierające parę atomów alkalicznych o temperaturze 400 K, po oświetleniu laserem, wyrówna swoje spiny. Jeśli obecne jest pole magnetyczne, pojawia się zmiana polaryzacji lub amplitudy w retransmitowanym świetle (sekcja 3.1 w: Bennett i in., 2021);
• PODDANY = Spin Exchange Relaxation Free: jak AVC, ale gęstsza para w wyższej temperaturze, co skutkuje wyższą czułością (sekcja 3.1 w Bennett i in., Przegląd z 2021 r.); I

KAŁAMARNICA = nadprzewodzące urządzenia zakłócające kwantowe; solidna technologia z połowy lat 1960

Rysunek 2. OM = optomechaniczny, NV = centra NV w diamencie, atomowe ogniwo parowe + SERF   = technologia kwantowa uwięzionych atomów, SQUID – SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), autorstwa Bennetta i wsp., Recenzja z 2021 r.: Precyzyjne magnetometry do zastosowań lotniczych  

Jeżeli chodzi o OM = Optomechaniczny: Jest to bogaty temat, który w przyszłości zostanie napisany osobno. Jeśli ciekawi Cię OM, zobacz sekcję 3.2 w Bennett i in., Przegląd 2021, dalsze szczegóły w Li i in., 2021 Wykrywanie optomechaniczne wnęki.

Mózg
Magnetoencefalografia (MEG) to nieinwazyjna technika neurofizjologiczna, która mierzy pola magnetyczne generowane przez aktywność neuronalną mózgu. MEG jest kierować, o wyższej rozdzielczości czasowej: ~ms i wyższej rozdzielczości przestrzennej: ~mm, niż pośredni pomiary, takie jak fMRI, PET i SPECT.

Złotym standardem dla MEG jest obecnie SQUID, ale w 2018 roku standard ten zaczął się zmieniać kwant ogniwa atomowego (udar mózgu) technologia; w szczególności do magnetometry pompowane optycznie (OPM)Z Boto i wsp., nowy system MEG z 2018 r. Chociaż czujniki SQUID mają czułość femtotesli (fT), czujniki SQUID mają pewne wady: 1) wymagania dotyczące chłodzenia kriogenicznego, 2) sztywny ruch głowy pacjenta wewnątrz jednostki o wadze ~500 kg, 3) brak elastyczności w przypadku różnych rozmiarów głowy. W przypadku pacjentów pediatrycznych szczególnie nieodpowiednie są czujniki MEG firmy SQUID.

Boto i wsp. w prototypowym systemie MEG-OPM z 2018 r. zajęli się tymi negatywami za pomocą niestandardowego hełmu o wadze około 1 kg, w którym zamontowano 13 czujników OPM. Każdy czujnik miał wymiary 3x3x3 mm³, ⁸⁷Komponent wypełniony parą Rb i podgrzewany w temperaturze ~150C, przy temperaturze ciała hełmu. Hełm był wydrukowanym w 3D „odlewem skanera”, zaprojektowanym dla głowy pacjenta przy użyciu anatomicznego skanu MRI. Pole magnetyczne zostało wskazane przez wykrywalny przez fotodiodę spadek przepuszczalności światła, po tym jak wiązka lasera o polaryzacji kołowej o długości fali 795 nm spolaryzowała spinowo atomy Rb komórki.

Feys i in., praca z maja 2022 r: Magnetometry pompowane optycznie na skórze głowy a magnetoencefalografia kriogeniczna w diagnostyce padaczki u dzieci w wieku szkolnym poprawia powyższe dzięki 32 czujnikom, przetestowanym na pacjentach pediatrycznych cierpiących na idiopatyczną lub oporną na leczenie padaczkę ogniskową. Celem badań było wykrycie międzynapadowych wyładowań padaczkowych (IED) i porównanie danych MEG-OPM z danymi MEG-SQUID. Wykazano to w pracy Feysa i in. z 2022 r Zapewniony MEG-OPM podobna czułość: 1-3pT/Hz^1/2, ale wyższą amplitudę IED i wyższy stosunek sygnału do szumu niż w przypadku konwencjonalnych MEG-SQUID.  Figura 3 przedstawia konfigurację eksperymentalną.

Rysunek 3 Konfiguracja eksperymentalna do pomiaru MEG IED OPM w porównaniu z SQUID (4^th postać) z Feys i in., 2022.

Pole badawcze MEG jest aktywne w zakresie nowych podejść wdrażających elastyczne projekty OPM i SERF. Rzut oka na to, co nas czeka, można zobaczyć w przypadkach użycia narzędzia Książka abstrakcyjna ukończenia Dzisiejsze warsztaty Noise Tomorrow’s Signal 2019.

Cywilizacje
Złotym standardem archeologicznego mapowania pola magnetycznego jest również Technologia SQUID. Głośnym przykładem, który odkrył historyczny zasięg stolicy: Karakorum z epoki mongolskiej, było opublikowany Bemmann i in., 2021, listopad ubiegłego roku, z wprowadzeniem Natura. W czasopiśmie zaprezentowano egzotycznie wyglądające zdjęcie terenowe, które przedstawiało wagon przewożący zestaw chłodzonych krionicznie kałamarnic ciągnięty przez pojazd terenowy. Dlaczego Nature miałby podkreślać wyniki nauki oparte na SQUID, czyli technologii z połowy lat sześćdziesiątych? Intryga zwyciężyła.

Sugeruję archeologom zajmującym się mapowaniem magnetycznym rozważenie korzyści wynikających z podejścia geofizycznego do wykorzystania dronów. Za pomocą wyszukiwania słów kluczowych: Mapowanie pola magnetycznego UAV, odkryjesz montowane na dronach magnetometry, oparte na ogniwa atomowe które przybliżają czułość strumienia pola magnetycznego czujników SQUID: rzędu kilku pT/Hz^1/2. Ponadto nowe tryby pracy ogniw atomowych, takie jak rozproszone światło Mz, które jeszcze bardziej zwiększyły czułość magnetometru.

Rozważ te zalety:
1) Sprawniejsze gromadzenie i przetwarzanie danych, 2) niższe koszty terenowe, 3) dostęp do niedostępnych lub wysokiego ryzyka regionów, 4) większe bezpieczeństwo pracowników, 5) Integracja UAV z innymi czujnikami geofizycznymioraz 6) brak konieczności stosowania kriostatów. Wadą w porównaniu do SQUID jest skalarny, zamiast wektor, pomiar strumienia magnetycznego. Jednakże czujniki inercyjne GPS i wysoka częstotliwość próbkowania mogą zapewnić możliwości mapowania. Ten 21-minutowy film z Geometrics, z którego złapałem kadr do rys. 4, demonstruje taki system w terenie.

Rysunek 4 Ujęcie klatki z filmu Geometrics, który demonstruje Mapowanie pola magnetycznego UAV

Podróż bez GPS

Gdzie jest Ciemny lód? Rozpoczynamy tę sekcję od zagadki. Lockheed Martin włożył znaczne zasoby w rozwój NV w magnetometrze diamentowym prototyp, z zespołem (kierowanym przez M.J. DiMario), an Partnerstwo Elementu-6 do produkcji diamentów, Patenty 21, Testy Dark Ice i plany na przyszłość, prasa publiczna (który doprowadził do setki artykułów prasowych o zasięgu międzynarodowym), Ciemny lód towarowym oraz logo zastosowania, badania przedruk (Edmonds i in., 2020) oraz publikacja (Edmonds i in., 2021).

Jednak Lockheed Martin nigdy nie spełnił swojej prośby o zgłoszenie logo i nigdy nie dostarczył USPTO „oświadczenia o używaniu” znaku towarowego (SOU). Dlatego logo i znak towarowy zostały usunięte (wielkie podziękowania dla D. Barnesa za zrozumienie kwestii prawnych). Lider zespołu Dark Ice opuścił Lockheed Martin w 2020 roku, aby założyć własną firmę. Spośród wyników badań publicznych na rysunku 1 przeddruku instrument nosi nazwę „Urządzenie”, a w odpowiednim artykule w czasopiśmie z 2021 r. zdjęcie sprzętu Dark Ice zostało całkowicie usunięte. Wygląda na to, że Dark Ice stał się „ciemny”.

Rysunek 5 Lockheeda Martina Zdjęcie z komunikatu prasowego 2019 urządzenia Dark Ice

Do pomiaru w prototypie wykorzystano syntetyczny diament domieszkowany azotem zmiany pola magnetycznego: siła i kierunek. Po nałożeniu na prototyp map ziemskiego pola magnetycznego dostarczonych przez National Oceanic and Atmospheric Association uzyskano informacje o lokalizacji Ziemi. Technologia ta mogłaby potencjalnie pomóc w sytuacjach, gdy GPS nie jest dostępny lub w innych trudnych warunkach. Według przedruku i opublikowanych artykułów zespołu Dark Ice, diament chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD) proces produkcyjny przebiegł pomyślnie naświetlanie i wyżarzanie procedury wspierające produkcję diamentów NV o jakości opartej na technologii kwantowej.

Dziś rozwój koncentruje się w NV w diamentie obszarem badawczym jest udoskonalenie produkcji takich diamentów i udoskonalenie technologii wierności odczytu.

Zgodnie z opisem w kompleksie Achard i in., 2020 Review: Monokryształy diamentu CVD z centrami NV, głównymi zaletami CVD w wytwarzaniu diamentów kwantowych jest możliwość konstruowania ułożonych w stos warstw o ​​różnym domieszkowaniu i składzie w dynamiczny i bardzo elastyczny sposób, który można skalować. Przegląd prezentuje najlepsze procesy w zależności od zastosowania, m.in. dla magnetometrii. Reżim technologii kwantowej wynoszący ~10–15 ppm, wdrożony przez zespół Dark Ice, wymaga przystosowany warunki wzrostu, które pozwalają na wysoką skuteczność domieszkowania, przy jednoczesnym zachowaniu jakości krystalicznej. Wyniki badania Edmonds i in. z 2021 r. pozwoliły na dalszą identyfikację ograniczających czynników czułości magnetometru.  Praca doktorska Himadri Chatterjee z 2021 r użył diamentu wykonanego w procesie Element-6/Dark Ice z innymi próbkami diamentu i zademonstrował czułość wykrywania pola magnetycznego w ~100 nT/Hz^1/2 reżimu, stosując magnetometrię absorpcyjną w podczerwieni. Podał listę ulepszeń zapewniających czułość systemu sięgającą dziesiątek pT/Hz^1/2 wrażliwość innych badaczy. Jego praca dyplomowa oraz „Achard et al Review” są dobrymi źródłami opisów wysiłków badawczych społeczności.

Chociaż zniknięcie Dark Ice może budzić obawy na temat technicznej żywotności takich magnetometrów, nie martw się. Ta notatka powinna Cię uspokoić, że postęp NV w magnetometrze diamentowym postępuje.

dr Amara Graps jest interdyscyplinarnym fizykiem, planetologiem, popularyzatorem nauki i edukatorem oraz ekspertem we wszystkich technologiach kwantowych.