Kvantmagnetometrar: Navigera i mänskliga världar

Om en kvantteknik inte kan göra våra mänskliga liv hälsosammare, rikare och roligare, vad är dess värde då? Dessa användningsfall för kvantteknologi i mänsklig rike: Hjärnor, civilisationoch GPS-fria resor, undersök magnetiska fält med större känslighet och enklare användning än tidigare.

Området för det magnetiska B-fältet som vi sonderar idag är 1pT ​​— 1fT. Se fig. 1. Den Jordens magnetfält amplitud (10^-4 T) är ~1000 gånger större än miljöbuller (10^-7-10^-9 T), och ~100 miljoner gånger större än de magnetiska fält som genereras i hårbotten av neurala strömmar i magneto-encefalografi (MEG)

Figur 1. Från High Sensitivity Magnetic Field Sensor Technology slide 11, of David Pappas (NIST) handledning vid APS 2008 mars möte för American Physical Society möte.

Bennett et al's, 2021 recension: Precisionsmagnetometrar för flygtillämpningar i den kommenterade Fig. 2 visar vårt intresseområde. I den röda rektangeln ser vi att sensorer går till: mindre storlekar, mer exakt upplösning och mindre effektbehov. Av särskilt intresse för våra användningsfall är dessa fyra:

• NV = kvävevakans i diamant (se IQT: Kvantdiamantunderskott och tillgångar);
• AVC = atomär ångcell: En glascell som innehåller en 400K ånga av alkaliatomer kommer vid laserbelysning att rikta in sina snurr. Om ett magnetfält är närvarande, uppträder en polarisation eller amplitudförändring i det återutsända ljuset (avsnitt 3.1 i Bennett et al's, 2021);
• LIVEGEN = Spin Exchange Relaxation-Free: som AVC, men tätare ånga vid en högre temperatur, vilket resulterar i en högre känslighet (avsnitt 3.1 i Bennett et al's, 2021 Review); och

BLÄCKFISK = supraledande kvantinterferensanordningar; robust teknologi från mitten av 1960-talet

Figur 2. OM= optomekanisk, NV = NV-centra i diamant, Atomic Vapor Cell + SERF = fångade atomkvantteknologi, SQUID – SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), från Bennett et al's, 2021 Review: Precisionsmagnetometrar för flygtillämpningar  

Angående OM = Optomekanisk: Detta är ett rikt ämne som kommer att skrivas separat i framtiden. Om du är OM-nyfiken, se avsnitt 3.2 i Bennett et al's, 2021 Review, ytterligare detaljer i Li et al., 2021 Kavitets optomekanisk avkänning.

hjärnor
Magneto-encefalografi (JAG G) är en icke-invasiv, neurofysiologisk teknik som mäter de magnetiska fält som genereras av hjärnans neuronala aktivitet. MEG är rikta, med högre tidsupplösning: ~ms, och högre rumslig upplösning: ~mm, än indirekt mätningar, såsom fMRI, PET och SPECT.

Guldstandarden för MEG är för närvarande SQUID, men den standarden började ändras 2018 till atomär ånga cell kvantum (stroke) teknologi; i synnerhet till optiskt pumpade magnetometrar (OPM), med Boto et al, 2018 års nya MEG-system. Medan SQUID-sensorer har femtotesla (fT)-känslighet, har SQUID-sensorerna vissa negativa egenskaper: 1) kryogena kylningskrav, 2) stel, patient-huvud-rörelse inuti en ~500 kg enhet, 3) oflexibilitet till olika huvudstorlekar. För pediatriska patienter är MEGs by SQUID-sensorer särskilt olämpliga.

Boto et al, 2018 års MEG-OPM-prototypsystem åtgärdade dessa negativa effekter med en ~1 kg anpassad hjälm, där 13 OPM-sensorer var monterade. Varje sensor var en 3x3x3 mm³, ⁸⁷Rb-ångfylld och uppvärmd komponent vid ~150C, med hjälmkroppstemperatur. Hjälmen var en 3D-printad "scanner-cast", designad för patientens huvud, med hjälp av en anatomisk MRI-skanning. Magnetfältet indikerades av en fotodiod-detekterbar minskning i ljustransmission, efter en 795 nm, cirkulärt polariserad laserstråle, spin-polariserad cellens Rb-atomer.

Feys et al, maj 2022 arbete: Optiskt pumpade magnetometrar i hårbotten kontra kryogen magnetoencefalografi för diagnostisk utvärdering av epilepsi hos barn i skolåldern förbättrar ovanstående med 32 sensorer, testade med pediatriska patienter, som har idiopatisk eller refraktär fokal epilepsi. Forskningsmålet var att upptäcka interiktala epileptiska flytningar (IEDs) och jämföra MEG-OPM-data med MEG-SQUID-data. Feys et al, 2022:s arbete visade det MEG-OPM tillhandahålls liknande känslighet: 1-3pT/Hz^1/2, men högre IED-amplitud och högre signal-till-brus än konventionella MEG-SQUIDs.  Figur 3 visar den experimentella uppsättningen.

Figur 3 Experimentell inställning för MEG IED-mätning av OPM kontra SQUID (4^th figur) från Feys et al, 2022.

MEG-forskningsfältet är aktivt med nya metoder som implementerar flexibla OPM- och SERF-designer. En glimt av vad som väntar kan ses i användningsfallen för Abstrakt bok av Dagens Noise Tomorrow's Signal 2019 workshop.

civilisationer
Guldstandarden för arkeologisk magnetfältskartläggning är också SQUID-teknik. Ett högprofilerat exempel, som upptäckte huvudstadens historiska omfattning: Karakorum från den mongoliska eran, var publicerade av Bemmann et al, 2021, i november förra året, med en lead in Natur. Tidningen visade ett exotiskt utseende fältfoto, som inkluderade en vagn som bar en uppsättning kryoniskt kylda SQUIDs som drogs av ett terrängfordon. Varför skulle naturen lyfta fram ett vetenskapligt resultat baserat på SQUID, som är mitten av 1960-talets teknologi? Intrigue vann dagen.

Jag föreslår arkeologiska magnetiska kartläggare att överväga fördelarna med den geofysiska metoden för att använda drönare. Med en nyckelordssökning: UAV magnetfältskartläggning, kommer du att upptäcka drönarmonterade, magnetometrar, baserade på atomära ångceller som approximerar magnetfältets flödeskänslighet för SQUID-sensorer: i storleksordningen flera pT/Hz^1/2. Dessutom nya driftlägen för atomära ångceller, som t.ex ljusskiftande Mz, har utvecklats, som ytterligare skulle öka magnetometerns känslighet.

Tänk på dessa fördelar:
1) Effektivare datainsamling och bearbetning, 2) lägre fältkostnad, 3) tillgång till otillgängliga eller högriskregioner, 4) högre arbetarsäkerhet, 5) UAV-integration med andra geofysiska sensoreroch 6) inget behov av kryostater. En nackdel jämfört med SQUID är skalär, istället för vektor, magnetisk flödesmätning. GPS-tröghetssensorer och en hög samplingsfrekvens kan dock ge kartläggningsmöjligheter. Den här 21-minutersvideon från Geometrics, från vilken jag tog en ram för bild 4, demonstrerar ett sådant system på fältet.

Figur 4 En bildruta från en Geometrics-video, som demonstrerar UAV magnetfältskartläggning

GPS-fria resor

Var är Mörk is? Vi börjar det här avsnittet med ett mysterium. Lockheed Martin lade betydande resurser på att utveckla NV i diamantmagnetometer prototyp, med ett team (ledd av MJ DiMario), en Element-6 partnerskap för diamanttillverkning, 21-patent, Dark Ice-tester och framtidsplaner, offentlig press (vilket ledde till hundratals internationella pressartiklar), Mörk is varumärke och en logotyp applikationer, en forskning preprint (Edmonds et al, 2020) och publicering (Edmonds, et al, 2021).

Ändå följde Lockheed Martin aldrig upp sin begäran om logotypansökan, och företaget lämnade aldrig ett varumärkesutlåtande om användning (SOU) till USPTO. Därför togs logotypen och varumärket bort (mycket tack till D. Barnes för att förstå lagligheten). Teamledaren för Dark Ice lämnade Lockheed Martin 2020 för att bilda sitt eget företag. Av de offentliga forskningsresultaten, i figur 1 i förtrycket, kallas instrumentet endast "Device", och i motsvarande tidskriftsartikel från 2021 raderas fotot av Dark Ices hårdvara helt och hållet. Dark Ice verkar ha blivit "Dark".

Figur 5 Lockheed Martins 2019 pressmeddelande foto av Dark Ice-enheten

Prototypen använde en syntetisk kvävedopad diamant för att mäta magnetfältsvariationer: styrka och riktning. När den överlagrades med kartor över jordens magnetfält, tillhandahållna av National Oceanic and Atmospheric Association, producerade prototypen jordens platsinformation. Denna teknik skulle potentiellt stödja situationer när GPS inte var tillgängligt eller under andra utmanande förhållanden. Enligt Dark Ice-teamets förtryck och publicerade tidningar är diamanten kemisk ångavsättning (CVD) tillverkningsprocessen var framgångsrik att undersöka bestrålning och glödgning förfaranden för att stödja tillverkningen av NV-diamanter av kvantteknologisk kvalitet.

Idag är utvecklingsfokus i NV i diamant forskningsområdet är att förbättra tillverkningen av sådana diamanter och att förbättra avläsningsfidelitetsteknologier.

Som beskrivs i den omfattande Achard et al, 2020 recension: CVD-diamant enkristaller med NV-center, de främsta fördelarna med CVD för att göra kvantklassade diamanter är förmågan att konstruera staplade lager av olika doping och sammansättning på ett dynamiskt och mycket flexibelt sätt som kan skalas. Granskningen presenterar de bästa processerna beroende på applikation, inklusive för magnetometri. Den kvantteknologiska regimen på ~10-15 ppm, implementerad av Dark Ice-teamet, kräver anpassat tillväxtförhållanden som möjliggör hög dopningseffektivitet, samtidigt som den kristallina kvaliteten bevaras. Resultaten från Edmonds et al, 2021 identifierade ytterligare de begränsande känslighetsfaktorerna för en magnetometer.  Himadri Chatterjees doktorsavhandling 2021 använde en Element-6/Dark Ice-process-diamant med andra diamantprover och visade magnetfältsdetektionskänslighet i ~100 nT/Hz^1/2 med hjälp av IR-absorptionsmagnetometri. Han tillhandahöll en lista med förbättringar för att systemets känslighet ska nå tiotals pT/Hz^1/2 andra forskares känslighet. Hans avhandling och Achard et al Review är bra källor för att hitta beskrivningar av samhällets forskningsinsatser.

Även om Dark Ices försvinnande kan bero på nyheter om den tekniska livskraften för sådana magnetometrar, oroa dig inte. Denna notering bör försäkra dig om att NV i diamantmagnetometerns framsteg marscherar vidare.

Amara Graps, Ph.D. är en tvärvetenskaplig fysiker, planetforskare, vetenskapskommunikatör och utbildare och expert på all kvantteknologi.