Квантовые магнитометры: навигация по человеческим мирам

Если квантовая технология не может сделать нашу человеческую жизнь здоровее, богаче и приятнее, то в чем ее ценность? Вот примеры использования квантовых технологий в человеческой сфере: Мозги, Цивилизациякачества Путешествие без GPS, исследуют магнитные поля с большей чувствительностью и простотой использования, чем раньше.

Диапазон магнитного B-поля, которое мы сегодня исследуем, составляет 1pT — 1fT. См. рис. 1. Магнитное поле Земли амплитуда (10^-4 Т) есть ~ в 1000 раз больше чем шум окружающей среды (10^-7-10^-9 T) и примерно в 100 миллионов раз больше, чем магнитные поля, генерируемые на коже головы нервными токами в магнитоэнцефалография (МЭГ)

Рисунок 1. Из слайда 11 «Технология высокочувствительного датчика магнитного поля» Учебное пособие Дэвида Паппаса (НИСТ) на мартовском собрании Американского физического общества APS 2008 г.

Беннетт и др., обзор 2021 г.: Прецизионные магнитометры для аэрокосмической отрасли на аннотированном рис. 2 показана область наших интересов. В красном прямоугольнике мы видим, что датчики движутся к меньшим размерам, более точному разрешению и меньшим требованиям к питанию. Особый интерес для наших случаев использования представляют эти четыре:

• NV = вакансия азота в алмазе (см. IQT: Дефицит и активы квантовых алмазов);
• AVC = ячейка с атомным паром: стеклянная ячейка, содержащая пары щелочных атомов с температурой 400 К, при лазерном освещении выровняет свои спины. Если присутствует магнитное поле, появляется изменение поляризации или амплитуды ретранслируемого света (раздел 3.1 в Bennett et al's, 2021);
• СЕРФ = Без релаксации спинового обмена: как AVC, но более плотный пар при более высокой температуре, что приводит к более высокой чувствительности (раздел 3.1 в Bennett et al's, Обзор 2021 года); и

SQUID = сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства; надежная технология середины 1960-х годов

Рисунок 2. OM = оптомеханический, NV = NV-центры в алмазе, атомно-паровая ячейка + SERF = квантовая технология с захваченными атомами, СКВИД – СКВИД (сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство), от Беннета и др., Обзор 2021 г.: Прецизионные магнитометры для аэрокосмической отрасли  

относительно OM = Оптомеханика: Это обширная тема, о которой в будущем будет написано отдельно. Если вам интересно ОМ, см. раздел 3.2 в обзоре Bennett et al., 2021, дополнительную информацию в Li et al., 2021. Оптомеханическое зондирование полости.

Мозги
Магнитоэнцефалография (МЭГ) Это неинвазивный нейрофизиологический метод, который измеряет магнитные поля, генерируемые активностью нейронов головного мозга. МЭГ это направлять, с более высоким временным разрешением: ~ мс и более высоким пространственным разрешением: ~ мм, чем косвенный измерения, такие как фМРТ, ПЭТ и ОФЭКТ.

Золотым стандартом для MEG в настоящее время является SQUID, но в 2018 году этот стандарт начал меняться на квантовая атомная паровая ячейка (гладить) технологии; в частности, чтобы магнитометры с оптической накачкой (ОПМ)призывают Бото и др., новая система MEG, 2018 г.. В то время как датчики СКВИДа обладают чувствительностью в фемтотеслах (фТ), датчики СКВИДа имеют некоторые недостатки: 1) требования к криогенному охлаждению, 2) жесткое движение головы пациента внутри устройства ~500 кг, 3) негибкость к изменению размеров головы. Для педиатрических пациентов МЭГ от датчиков СКВИДа особенно непригодны.

Бото и др., прототип системы MEG-OPM, созданный в 2018 году, решил эти недостатки с помощью специального шлема весом ~1 кг, на котором было установлено 13 датчиков OPM. Каждый датчик имел размеры 3х3х3 мм.³, ⁸⁷Компонент, наполненный парами рубидия и нагреваемый при температуре ~150C, с температурой корпуса шлема. Шлем представлял собой «отливку», напечатанную на 3D-принтере и спроектированную с учетом анатомических данных МРТ головы пациента. На магнитное поле указывалось детектируемое фотодиодом падение пропускания света после того, как лазерный луч с круговой поляризацией на длине волны 795 нм поляризовал по спину атомы Rb ячейки.

Фейс и др., работа в мае 2022 г.: Магнитометры с оптической накачкой на коже головы в сравнении с криогенной магнитоэнцефалографией для диагностики эпилепсии у детей школьного возраста улучшает вышеизложенное с помощью 32 датчиков, протестированных на педиатрических пациентах с идиопатической или рефрактерной фокальной эпилепсией. Целью исследования было обнаружить интериктальные эпилептические разряды (СВУ) и сравнить данные MEG-OPM с данными MEG-SQUID. Работа Фейса и др., 2022 г., продемонстрировала, что MEG-OPM предоставлен аналогичная чувствительность: 1-3pT/Гц^1/2, но более высокая амплитуда IED и более высокое соотношение сигнал/шум, чем у обычных MEG-SQUID..  На рисунке 3 показана экспериментальная установка.

Рисунок 3 Экспериментальная установка для измерения МЭГ СЭУ ОПМ по сравнению со СКВИДом (4^th рисунок) из Фейс и др., 2022 г..

В области исследований MEG активно разрабатываются новые подходы, реализующие гибкие конструкции OPM и SERF. Представление о том, что нас ждет впереди, можно увидеть в вариантах использования Абстрактная книга Семинар «Сегодняшний шум» «Сигнал завтрашнего дня 2019».

Цивилизации
Золотым стандартом археологического картирования магнитного поля является Также Технология СКВИД. Громкий пример, раскрывающий исторические масштабы столицы: Каракорум монгольской эпохи, был опубликованный Бемманна и др., 2021 г., в ноябре прошлого года, с лидерством в природа. В журнале была опубликована экзотическая полевая фотография, на которой была изображена повозка с набором крионически охлажденных кальмаров, которую тянул внедорожник. Почему Природа выделила научный результат, основанный на СКВИДе, технологии середины 1960-х годов? Интрига победила.

Я предлагаю археологам-магнитокартографам рассмотреть преимущества геофизического подхода к использованию дронов. С помощью поиска по ключевым словам: Картирование магнитного поля БПЛА, вы обнаружите магнитометры, установленные на дронах, на основе атомные паровые ячейки которые аппроксимируют чувствительность датчиков СКВИДа к потоку магнитного поля: порядка нескольких пТл/Гц.^1/2. Кроме того, появились новые режимы работы атомных ячеек, такие как светосмещенный Mz, которые еще больше повысят чувствительность магнитометра.

Рассмотрим эти преимущества:
1) Более эффективный сбор и обработка данных, 2) более низкие затраты на местах, 3) доступ к недоступным регионам или регионам высокого риска, 4) большая безопасность работников, 5) Интеграция БПЛА с другими геофизическими датчиками6) отсутствие необходимости в криостатах. Недостатком по сравнению со SQUID является скаляр, Вместо того, вектор, измерение магнитного потока. Однако инерционные датчики GPS и высокая частота дискретизации могут обеспечить возможности картографирования. Это 21-минутное видео из Geometrics, из которого я взял кадр для рис. 4, демонстрирует такая система в полевых условиях.

Рисунок 4 Кадр из видеоролика Geometrics, который демонстрирует Картографирование магнитного поля БПЛА

Путешествие без GPS

Где Темный лед? Мы начнем этот раздел с загадки. Lockheed Martin вложила значительные ресурсы в разработку НВ в алмазном магнитометре прототип, с командой (во главе с MJ DiMario), Партнерство «Элемент-6» для производства алмазов, Патенты 21, Испытания Dark Ice и планы на будущее, общественная пресса (что привело к сотни статей в международной прессе), Темный лед товарный знак и еще один логотип приложения, исследования препринт (Эдмондс и др., 2020) и публикация (Эдмондс и др., 2021 г.).

Тем не менее, Lockheed Martin так и не выполнила свой запрос на заявку на логотип, и компания так и не предоставила «заявление об использовании» товарного знака (SOU) в USPTO. Поэтому логотип и торговая марка были исключены (большое спасибо Д. Барнсу за понимание законности). Руководитель команды Dark Ice покинул Lockheed Martin в 2020 году, чтобы основать собственную компанию. Из публичных результатов исследования на рисунке 1 препринта прибор назван только «Устройство», а в соответствующей журнальной статье 2021 года фотография оборудования Dark Ice вообще удалена. Dark Ice, похоже, стал «темным».

Рисунок 5 Локхид Мартин Фото пресс-релиза 2019 года устройства Темный Лед

В прототипе для измерения мощности использовался синтетический алмаз, легированный азотом. Изменения магнитного поля: сила и направление. При наложении на карты магнитного поля Земли, предоставленные Национальной ассоциацией океанических и атмосферных исследований, прототип выдавал информацию о местоположении Земли. Эта технология потенциально может помочь в ситуациях, когда GPS недоступен или в других сложных условиях. Согласно препринту и опубликованным документам команды Dark Ice, алмаз химическое осаждение из паровой фазы (CVD) производственный процесс был успешно исследован облучение и отжиг процедуры поддержки производства алмазов NV квантово-технологического качества.

Сегодня основное внимание уделяется развитию НВ в ромбе Область исследований заключается в совершенствовании производства таких алмазов и совершенствовании технологий точности считывания показаний.

Как описано в подробном Ахард и др., 2020 г. Обзор: Монокристаллы алмаза CVD с NV-центрами, основным преимуществом CVD для изготовления алмазов квантового качества является возможность создавать сложенные друг на друга слои с различными легирующими добавками и составом динамичным и очень гибким способом, который можно масштабировать. В обзоре представлены лучшие процессы в зависимости от применения, в том числе для магнитометрии. Режим квантовых технологий ~10-15 ppm, реализованный командой Dark Ice, требует адаптированный условия роста, которые обеспечивают высокую эффективность легирования при сохранении кристаллического качества. Результаты Edmonds et al., 2021 дополнительно выявили факторы, ограничивающие чувствительность магнитометра.  Кандидатская диссертация Химадри Чаттерджи в 2021 году использовал алмаз, обработанный Element-6/Dark Ice, с другими образцами алмаза и продемонстрировал чувствительность к обнаружению магнитного поля в ~100 нТл/Гц^1/2 режиме с использованием ИК-абсорбционной магнитометрии. Он предоставил список улучшений для того, чтобы чувствительность системы достигла десятков рТл/Гц^1/2 чувствительность других исследователей. Его диссертация и обзор Achard et al Review являются хорошими источниками для описания исследовательских усилий сообщества.

Хотя исчезновение Dark Ice может стать поводом для беспокойства по поводу технической жизнеспособности таких магнитометров, не волнуйтесь. Эта заметка должна убедить вас в том, что прогресс в области NV в алмазных магнитометрах продолжается.

Амара Грэпс, доктор философии. является междисциплинарным физиком, планетологом, научным коммуникатором и педагогом, а также экспертом по всем квантовым технологиям.