By Amara Graps postado em 26 de julho de 2022
Se uma tecnologia quântica não pode tornar as nossas vidas humanas mais saudáveis, mais ricas e mais agradáveis, então qual é o seu valor? Estes casos de uso de tecnologia quântica no mundo humano: Cérebros, Civilização e Viagem sem GPS, sonda campos magnéticos com maior sensibilidade e facilidade de uso do que antes.
O alcance do campo magnético B que estamos investigando hoje é 1pT – 1fT. Veja a Fig. 1. O Campo magnético da terra amplitude (10-4 T) é ~1000 vezes maior do que barulho ambiental (10-7-10-9 T), e ~100 milhões de vezes maiores que os campos magnéticos gerados no couro cabeludo pelas correntes neurais em magnetoencefalografia (MEG)
Figura 1. Painel do Do slide 11 da Tecnologia de Sensor de Campo Magnético de Alta Sensibilidade, de Tutorial de David Pappas (NIST) na reunião de março de 2008 da APS da American Physical Society.
Bennett et al, Revisão de 2021: Magnetômetros de precisão para aplicações aeroespaciais na Figura 2 anotada mostra nossa área de interesse. No retângulo vermelho, vemos que os sensores estão mudando para: tamanhos menores, resolução mais precisa e requisitos de energia menores. De particular interesse para nossos casos de uso são estes quatro:
- NV = vacância de nitrogênio no diamante (ver IQT: Déficits e ativos de diamantes quânticos);
- AVC = célula de vapor atômico: Uma célula de vidro contendo um vapor de 400K de átomos alcalinos, após iluminação a laser, alinhará seus spins. Se um campo magnético estiver presente, aparece uma polarização ou mudança de amplitude na luz retransmitida (seção 3.1 em Bennett et al's, 2021);
- SERVO = Spin Exchange Relaxation-Free: como AVC, mas vapor mais denso em uma temperatura mais alta, o que resulta em uma sensibilidade mais alta (seção 3.1 em Bennett et al's, Revisão de 2021); e
SQUID = dispositivos supercondutores de interferência quântica; tecnologia robusta de meados da década de 1960
Figura 2. Painel do OM = optomecânico, NV = centros NV em diamante, Célula de Vapor Atômico + SERF = tecnologia quântica de átomo preso, SQUID – SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), de Bennett et al's, Revisão de 2021: Magnetômetros de precisão para aplicações aeroespaciais
A respeito de OM = Optomecânica: Este é um tópico rico a ser escrito separadamente no futuro. Se você estiver curioso sobre OM, consulte a seção 3.2 na revisão de Bennett et al, 2021, mais detalhes em Li et al., 2021 Detecção Optomecânica de Cavidade.
Miolos
Magnetoencefalografia (MEG) é uma técnica neurofisiológica não invasiva que mede os campos magnéticos gerados pela atividade neuronal do cérebro. MEG é diretamente, com maior resolução temporal: ~ms, e maior resolução espacial: ~mm, do que indireto medições, como fMRI, PET e SPECT.
O padrão ouro para MEGs é atualmente o SQUID, mas esse padrão começou a mudar em 2018 para quantum de célula de vapor atômico (AVC) tecnologia; em especial, para magnetômetros com bomba óptica (OPMs), com Boto et al, novo sistema MEG de 2018. Embora os sensores SQUID tenham sensibilidade femtotesla (fT), os sensores SQUID têm alguns pontos negativos: 1) requisitos de resfriamento criogênico, 2) movimento rígido da cabeça do paciente dentro de uma unidade de ~500 kg, 3) inflexibilidade para tamanhos variados de cabeça. Para pacientes pediátricos, os MEGs dos sensores SQUID são especialmente inadequados.
Boto et al, o sistema protótipo MEG-OPM de 2018 abordou esses pontos negativos com um capacete personalizado de aproximadamente 1 kg, onde 13 sensores OPM foram montados. Cada sensor era um 3x3x3 mm3, 87Componente cheio de vapor Rb e aquecido a ~150C, com temperatura corporal do capacete. O capacete era um 'modelo de scanner' impresso em 3D, projetado para a cabeça do paciente, usando uma ressonância magnética anatômica. O campo magnético foi indicado por uma queda detectável por fotodiodo na transmissão de luz, após um feixe de laser polarizado circularmente de 795 nm, polarizar por spin os átomos de Rb da célula.
Feys et al, trabalho de maio de 2022: Magnetômetros bombeados opticamente no couro cabeludo versus magnetoencefalografia criogênica para avaliação diagnóstica de epilepsia em crianças em idade escolar melhora o acima exposto com 32 sensores, testados em pacientes pediátricos com epilepsia focal idiopática ou refratária. O objetivo da pesquisa foi detectar descargas epilépticas interictais (IEDs) e comparar os dados do MEG-OPM com os dados do MEG-SQUID. Feys et al, o trabalho de 2022 demonstrou que MEG-OPM fornecido sensibilidade semelhante: 1-3pT/Hz1/2, mas maior amplitude do IED e maior relação sinal-ruído do que os MEG-SQUIDs convencionais. A Figura 3 indica a configuração experimental.
Figura 3 Configuração experimental para medição MEG IED de OPM versus SQUID (4th figura) de Feys et al, 2022.
O campo de pesquisa MEG está ativo com novas abordagens que implementam designs flexíveis de OPM e SERF. Um vislumbre do que está por vir pode ser visto nos casos de uso do Livro abstrato da Workshop Ruído de Hoje Sinal de Amanhã 2019.
civilizações
O padrão ouro para mapeamento arqueológico de campos magnéticos é tb Tecnologia SQUID. Um exemplo de destaque, que descobriu a extensão histórica da capital: Karakorum da Era Mongol, foi publicado por Bemmann et al, 2021, novembro passado, com liderança em Natureza. A revista exibiu uma foto de campo de aparência exótica, que incluía uma carroça carregando um conjunto de SQUIDs resfriados crionicamente e puxada por um veículo off-road. Por que a Nature destacaria um resultado científico baseado no SQUID, que é uma tecnologia de meados da década de 1960? A intriga venceu o dia.
Sugiro aos mapeadores magnéticos arqueológicos que considerem os benefícios da abordagem geofísica para usar drones. Com uma pesquisa por palavra-chave: Mapeamento de campo magnético UAV, você descobrirá magnetômetros montados em drones, baseados em células de vapor atômico que aproximam a sensibilidade do fluxo do campo magnético dos sensores SQUID: da ordem de vários pT/Hz1/2. Além disso, novos modos operacionais para células de vapor atômico, como Mz disperso por deslocamento de luz, foram desenvolvidos, o que aumentaria ainda mais a sensibilidade do magnetômetro.
Considere estas vantagens:
1) Coleta e processamento de dados mais eficientes, 2) menor custo de campo, 3) acesso a regiões inacessíveis ou de alto risco, 4) maior segurança do trabalhador, 5) Integração de UAV com outros sensores geofísicose 6) não há necessidade de criostatos. Uma desvantagem em relação ao SQUID é o escalar, ao invés de vetor, medição de fluxo magnético. No entanto, sensores inerciais GPS e uma alta taxa de amostragem podem fornecer recursos de mapeamento. Este vídeo de 21 minutos da Geometrics, do qual peguei um quadro para a Fig. demonstra tal sistema no campo.
Figura 4 Uma captura de quadro de um vídeo Geometrics, que demonstra Mapeamento de campo magnético UAV
Viagem sem GPS
Onde está Gelo Negro? Começamos esta seção com um mistério. A Lockheed Martin investiu recursos significativos no desenvolvimento do NV em magnetômetro de diamante protótipo, com uma equipe (liderada por MJ DiMario), um Parceria Elemento-6 para fabricação de diamantes, Patentes 21, Testes Dark Ice e planos futuros, imprensa pública (o que levou a centenas de peças de imprensa internacional), Gelo Escuro marca registrada e de um logotipo aplicações, uma pesquisa pré-impressão (Edmonds et al, 2020) e publicação (Edmonds, et al, 2021).
No entanto, a Lockheed Martin nunca atendeu ao seu pedido de aplicação de logotipo e a empresa nunca forneceu uma “declaração de uso” de marca registrada (SOU) ao USPTO. Portanto, o logotipo e a marca registrada foram abandonados (muito obrigado a D. Barnes por entender a legalidade). O líder da equipe Dark Ice deixou a Lockheed Martin em 2020, para formar sua própria empresa. Dos resultados da pesquisa pública, na Figura 1 da pré-impressão, o instrumento é chamado apenas de 'Dispositivo', e no artigo de jornal correspondente de 2021, a foto do hardware do Dark Ice foi totalmente excluída. Dark Ice parece ter ficado 'Dark'.
Figura 5 Lockheed Martin Foto do comunicado de imprensa de 2019 do dispositivo Dark Ice
O protótipo usou um diamante sintético dopado com nitrogênio para medir a variações do campo magnético: força e direção. Quando sobreposto a mapas do campo magnético da Terra, fornecidos pela Associação Nacional Oceânica e Atmosférica, o protótipo produziu informações de localização da Terra. Esta tecnologia apoiaria potencialmente situações em que o GPS não estivesse disponível ou em condições desafiadoras. De acordo com a pré-impressão e artigos publicados da equipe Dark Ice, o diamante deposição química de vapor (CVD) processo de fabricação foi bem sucedido para sondar irradiação e anelamento procedimentos para apoiar a fabricação de diamantes NV de qualidade com tecnologia quântica.
Hoje, o foco do desenvolvimento no NV em diamante O campo de pesquisa é melhorar a fabricação desses diamantes e melhorar as tecnologias de fidelidade de leitura.
Conforme descrito no abrangente Achard et al, 2020 revisão: Monocristais de diamante CVD com centros NV, as principais vantagens do CVD para a fabricação de diamantes de grau quântico é a capacidade de projetar camadas empilhadas de diferentes dopagem e composição de uma forma dinâmica e muito flexível que pode ser escalonada. A Revisão apresenta os melhores processos dependendo da aplicação, inclusive para magnetometria. O regime de tecnologia quântica de ∼10-15 ppm, implementado pela equipe Dark Ice, requer adaptado condições de crescimento que permitem alta eficiência de dopagem, preservando a qualidade cristalina. Os resultados de Edmonds et al, 2021 identificaram ainda mais os fatores limitantes de sensibilidade para um magnetômetro. Tese de doutorado de 2021 de Himadri Chatterjee usou um diamante de processo Element-6/Dark Ice com outras amostras de diamante e demonstrou sensibilidades de detecção de campo magnético no ~100nT/Hz1/2 regime, usando magnetometria de absorção IR. Ele forneceu uma lista de melhorias para a sensibilidade do sistema atingir dezenas de pT/Hz1/2 sensibilidade de outros pesquisadores. Sua tese e a Revisão de Achard et al são boas fontes para encontrar descrições dos esforços de pesquisa da comunidade.
Embora o desaparecimento de Dark Ice possa ser uma notícia preocupante sobre a viabilidade técnica de tais magnetômetros, não se preocupe. Esta nota deve tranquilizá-lo de que o progresso do NV no magnetômetro de diamante continua.
Amara Graps, Ph.D. é um físico interdisciplinar, cientista planetário, comunicador e educador científico e especialista em todas as tecnologias quânticas.
