Magnetometre cuantice: navigarea în tărâmurile umane

Dacă o tehnologie cuantică nu poate face viața umană mai sănătoasă, mai bogată și mai plăcută, atunci care este valoarea ei? Aceste cazuri de utilizare a tehnologiei cuantice din domeniul uman: Creiere, civilizație, și Călătorii fără GPS, sonda câmpuri magnetice cu sensibilități mai mari și ușurință în utilizare decât înainte.

Intervalul câmpului magnetic B pe care îl cercetăm astăzi este 1pT - 1fT. Vezi fig. 1 Câmpul magnetic al Pământului amplitudine (10^-4 T) este ~1000 de ori mai mare decât zgomot de mediu (10^-7-10^-9 T), și de ~100 de milioane de ori mai mare decât câmpurile magnetice generate la nivelul scalpului de curenții neuronali în magnetoencefalografie (MEG)

Figura 1. Din tehnologia senzorului de câmp magnetic de înaltă sensibilitate slide 11, din Tutorial lui David Pappas (NIST). la reuniunea APS din martie 2008 a reuniunii Societății Americane de Fizică.

Bennett și colab., Recenzie 2021: Magnetometre de precizie pentru aplicații aerospațiale în Fig. 2 adnotat arată zona noastră de interes. În dreptunghiul roșu, vedem că senzorii se deplasează la: dimensiuni mai mici, rezoluție mai precisă și cerințe de putere mai mici. De un interes deosebit pentru cazurile noastre de utilizare, sunt aceste patru:

• NV = lipsa de azot în diamant (vezi IQT: Deficite și active cuantice de diamante);
• AVC = Celulă de vapori atomici: O celulă de sticlă care conține un vapori de 400K de atomi alcalini, la iluminarea cu laser, își va alinia spinările. Dacă este prezent un câmp magnetic, apare o modificare de polarizare sau amplitudine a luminii retransmise (secțiunea 3.1 din Bennett și colab., 2021);
• SERF = Spin Exchange Relaxation-Free: ca AVC, dar vapori mai densi la o temperatură mai mare, ceea ce are ca rezultat o sensibilitate mai mare (secțiunea 3.1 din Bennett et al's, 2021 Review); și

CALAMAR = dispozitive de interferență cuantică supraconductoare; tehnologie robustă de la mijlocul anilor 1960

Figura 2. OM= optomecanic, NV = centrii NV în diamant, Atomic Vapor Cell + SERF = tehnologia cuantică a atomului prins, SQUID – SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), din Bennett et al's, 2021 Review: Magnetometre de precizie pentru aplicații aerospațiale  

In ceea ce priveste OM = Optomecanic: Acesta este un subiect bogat care va fi scris separat în viitor. Dacă sunteți curios de OM, consultați secțiunea 3.2 din Bennett et al's, 2021 Review, detalii suplimentare în Li et al., 2021 Sensare optomecanica a cavitatii.

Creier
Magnetoencefalografie (MEG) este o tehnică neinvazivă, neurofiziologică, care măsoară câmpurile magnetice generate de activitatea neuronală a creierului. MEG este direcționa, cu rezoluție temporală mai mare: ~ms și rezoluție spațială mai mare: ~mm, decât indirect măsurători, cum ar fi fMRI, PET și SPECT.

Standardul de aur pentru MEG este în prezent SQUID, dar acel standard a început să se schimbe în 2018 la cuantica celulei de vapori atomici (accident vascular cerebral) tehnologie; în special, să magnetometre cu pompare optică (OPM), Cu Boto et al, noul sistem MEG din 2018. În timp ce senzorii SQUID au sensibilitate femtotesla (fT), senzorii SQUID au câteva aspecte negative: 1) cerințe de răcire criogenică, 2) mișcare rigidă a capului pacientului în interiorul unei unități de ~500 kg, 3) inflexibilitate la diferite dimensiuni ale capului. Pentru pacienții pediatrici, senzorii MEG de la SQUID sunt deosebit de nepotriviți.

Boto și colab., sistemul prototip MEG-OPM din 2018 a abordat aceste negative cu o cască personalizată de ~1 kg, unde au fost montați 13 senzori OPM. Fiecare senzor a fost de 3x3x3 mm³, ⁸⁷Componentă umplută cu vapori Rb și încălzită la ~150C, cu temperatura corpului căștii. Casca a fost un „scanner-cast” imprimat 3D, proiectat pentru capul pacientului, folosind o scanare RMN anatomică. Câmpul magnetic a fost indicat de o scădere detectabilă prin fotodiodă a transmisiei luminii, după ce un fascicul laser polarizat circular de 795 nm a polarizat prin spin atomii Rb ai celulei.

Feys et al, lucrare din mai 2022: Magnetometre cu pompare optică pe scalp versus magnetoencefalografia criogenică pentru evaluarea diagnostică a epilepsiei la copiii de vârstă școlară îmbunătățește cele de mai sus cu 32 de senzori, testați cu pacienți pediatrici, care au epilepsie focală idiopatică sau refractară. Scopul cercetării a fost de a detecta descărcări epileptice interictale (IED) și de a compara datele MEG-OPM cu datele MEG-SQUID. Feys et al, munca lui 2022 a demonstrat asta MEG-OPM furnizat sensibilitate similară: 1-3pT/Hz^1/2, dar amplitudine IED mai mare și raport semnal-zgomot mai mare decât MEG-SQUID-urile convenționale.  Figura 3 indică configurația experimentală.

Figura 3 Configurare experimentală pentru măsurarea MEG IED a OPM față de SQUID (4^th figura) din Feys et al, 2022.

Domeniul de cercetare MEG este activ cu noi abordări care implementează proiecte flexibile OPM și SERF. O privire a ceea ce urmează poate fi văzută în cazurile de utilizare ale Carte abstractă a Atelierul de Zgomot de azi Semnalul de mâine 2019.

civilizaţii
Standardul de aur pentru cartografierea câmpului magnetic arheologic este de asemenea Tehnologia SQUID. Un exemplu de mare profil, care a descoperit întinderea istorică a capitalei: Karakorum din epoca mongolă, a fost publicat de Bemmann et al, 2021, în noiembrie anul trecut, cu un avans în Natură. Jurnalul a afișat o fotografie de câmp cu aspect exotic, care includea un vagon care transporta un set de SQUID-uri răcite crionic care a fost tras de un vehicul de teren. De ce ar evidenția Natura un rezultat științific bazat pe SQUID, care este tehnologia de la mijlocul anilor 1960? Intriga a câștigat ziua.

Le sugerez cartografilor magnetici arheologici să ia în considerare beneficiile abordării geofizice de a folosi dronele. Cu o căutare de cuvinte cheie: Maparea câmpului magnetic UAV, vei descoperi magnetometre montate pe drone, pe baza celule de vapori atomici care aproximează sensibilitatea fluxului câmpului magnetic al senzorilor SQUID: de ordinul mai multor pT/Hz^1/2. În plus, noi moduri de operare pentru celulele cu vapori atomici, cum ar fi lumina-deplasare-dispersat Mz, au fost dezvoltate, care ar crește și mai mult sensibilitatea magnetometrului.

Luați în considerare aceste avantaje:
1) Colectarea și procesarea datelor mai eficiente, 2) costuri mai mici pe teren, 3) acces la regiuni inaccesibile sau cu risc ridicat, 4) siguranță sporită a lucrătorilor, 5) Integrarea UAV cu alți senzori geofiziciși 6) nu este nevoie de criostate. Un dezavantaj în comparație cu SQUID este mărime scalară, in loc de vector, măsurarea fluxului magnetic. Cu toate acestea, senzorii inerțiali GPS și o rată mare de eșantionare pot oferi capabilități de cartografiere. Acest videoclip de 21 de minute de la Geometrics, din care am luat un cadru pentru Fig. 4, demonstrează un astfel de sistem în domeniu.

Figura 4 Un cadru de preluare dintr-un videoclip Geometrics, care demonstrează Maparea câmpului magnetic UAV

Călătorii fără GPS

În cazul în care este Gheață întunecată? Începem această secțiune cu un mister. Lockheed Martin a pus resurse semnificative în dezvoltarea NV în magnetometru cu diamant prototip, cu o echipă (condusă de MJ DiMario), an Parteneriatul Element-6 pentru fabricarea diamantelor, Brevete 21, Teste de gheață neagră și planuri de viitor, presa publica (care a dus la sute de articole de presă internațională), Gheață întunecată marcă și siglă aplicatii, o cercetare preimprimare (Edmonds et al, 2020) și publicare (Edmonds, et al, 2021).

Cu toate acestea, Lockheed Martin nu a dat curs cererii sale de aplicare a logo-ului, iar compania nu a furnizat niciodată USPTO o „declarație de utilizare” (SOU) a mărcii comerciale. Prin urmare, logo-ul și marca înregistrată au fost abandonate (multe mulțumiri lui D. Barnes pentru a înțelege legalitățile). Liderul echipei Dark Ice a părăsit Lockheed Martin în 2020, pentru a-și forma propria companie. Dintre rezultatele cercetării publice, în Figura 1 a preprintului, instrumentul se numește doar „Dispozitiv”, iar în articolul corespunzător din jurnalul din 2021, fotografia hardware-ului Dark Ice este ștearsă cu totul. Dark Ice pare să fi devenit „întunecat”.

Figura 5 de la Lockheed Martin Fotografie comunicat de presă 2019 a dispozitivului Dark Ice

Prototipul a folosit un diamant sintetic dopat cu azot pentru a măsura variaţiile câmpului magnetic: putere şi direcţie. Când a fost suprapus cu hărți ale câmpului magnetic al Pământului, furnizate de Asociația Națională Oceanică și Atmosferică, prototipul a produs informații despre locația Pământului. Această tehnologie ar putea susține situații în care GPS-ul nu era disponibil sau în condiții altfel dificile. Conform documentelor pretipărite și publicate ale echipei Dark Ice, diamantul depunere chimică de vapori (CVD) procesul de fabricație a fost testat cu succes iradiație și recoacere proceduri de sprijinire a producției de diamante NV de calitate cuantică.

Astăzi, accentul de dezvoltare în NV în diamant domeniul de cercetare este de a îmbunătăți fabricarea unor astfel de diamante și de a îmbunătăți tehnologiile de fidelitate a citirii.

După cum este descris în cuprinzător Achard et al, 2020 Review: Monocristale de diamant CVD cu centre NV, principalele avantaje ale CVD pentru fabricarea diamantelor de calitate cuantică este capacitatea de a proiecta straturi stivuite de diferite dopaje și compoziții într-un mod dinamic și foarte flexibil care se poate scala. Revista prezintă cele mai bune procese în funcție de aplicație, inclusiv pentru magnetometrie. Regimul de ∼10-15 ppm, cuantic-tech, implementat de echipa Dark Ice, necesită adaptate condiții de creștere care permit o eficiență ridicată de dopaj, păstrând în același timp calitatea cristalină. Rezultatele Edmonds et al, 2021 au identificat în continuare factorii limitanți de sensibilitate pentru un magnetometru.  Teza de doctorat 2021 a lui Himadri Chatterjee a folosit un diamant cu proces Element-6/Dark Ice cu alte mostre de diamante și a demonstrat sensibilități de detectare a câmpului magnetic în ~100 nT/Hz^1/2 regim, folosind magnetometria de absorbție IR. El a oferit o listă de îmbunătățiri pentru ca sensibilitatea sistemului să ajungă la zeci de pT/Hz^1/2 sensibilitatea altor cercetători. Teza sa și Achard et al Review sunt surse bune pentru a găsi descrieri ale eforturilor de cercetare ale comunității.

Deși dispariția lui Dark Ice ar putea fi știri îngrijorătoare despre viabilitatea tehnică a unor astfel de magnetometre, nu vă faceți griji. Această notă ar trebui să vă asigure că NV în progresul magnetometrului cu diamant continuă.

Amara Graps, Ph.D. este un fizician interdisciplinar, un om de știință planetar, un comunicator științific și un educator și expert în toate tehnologiile cuantice.