เครื่องวัดสนามแม่เหล็กควอนตัม: การนำทางอาณาจักรมนุษย์

หากเทคโนโลยีควอนตัมไม่สามารถทำให้ชีวิตมนุษย์ของเรามีสุขภาพที่ดีขึ้น มั่งคั่งขึ้น และสนุกสนานยิ่งขึ้นได้ แล้วมันจะมีประโยชน์อะไร? กรณีการใช้งานเทคโนโลยีควอนตัมในอาณาจักรมนุษย์เหล่านี้: สมองอารยธรรมและ การเดินทางแบบไม่มี GPS, ตรวจวัดสนามแม่เหล็กด้วยความไวที่มากขึ้นและใช้งานง่ายกว่าเดิม

ช่วงของสนามแม่เหล็ก B ที่เรากำลังตรวจสอบในวันนี้คือ 1pT — 1fT ดูภาพประกอบ 1 สนามแม่เหล็กโลก แอมพลิจูด (10^-4 ต) คือ ใหญ่กว่า ~1000 เท่า กว่า เสียงรบกวนจากสิ่งแวดล้อม (10^-7-10^-9 T) และมีขนาดใหญ่กว่าสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นที่หนังศีรษะประมาณ 100 ล้านเท่าโดยกระแสประสาทใน เครื่องแมกนีโตเอนเซ็ปฟาโลกราฟฟี (MEG)

รูป 1 จากเทคโนโลยีเซ็นเซอร์สนามแม่เหล็กความไวสูง สไลด์ 11 จาก บทช่วยสอนของ David Pappas (NIST) ในการประชุม APS 2008 เดือนมีนาคมของการประชุม American Physical Society

Bennett และคณะ รีวิวปี 2021: เครื่องวัดสนามแม่เหล็กที่แม่นยำสำหรับการใช้งานด้านการบินและอวกาศ ในรูปที่ 2 ที่มีคำอธิบายประกอบจะแสดงพื้นที่ที่เราสนใจ ในสี่เหลี่ยมสีแดง เราจะเห็นว่าเซ็นเซอร์กำลังเคลื่อนไปที่  ขนาดที่เล็กลง ความละเอียดที่แม่นยำยิ่งขึ้น และความต้องการพลังงานที่น้อยลง สิ่งที่น่าสนใจเป็นพิเศษสำหรับกรณีการใช้งานของเราคือสี่กรณีต่อไปนี้:

• NV = ตำแหน่งว่างของไนโตรเจนในเพชร (ดู IQT: การขาดดุลเพชรควอนตัมและสินทรัพย์);
• AVC = เซลล์ไออะตอม: เซลล์แก้วที่เก็บไออะตอมอัลคาไลจำนวน 400K ไว้เมื่อมีการส่องสว่างด้วยเลเซอร์ จะจัดแนวการหมุนของมัน หากมีสนามแม่เหล็ก การเปลี่ยนแปลงโพลาไรเซชันหรือแอมพลิจูดในแสงที่ส่งซ้ำจะปรากฏขึ้น (ส่วนที่ 3.1 ใน Bennett et al's, 2021)
• ข้าแผ่นดิน = Spin Exchange-Free Relaxation: เหมือน AVC แต่มีไอหนาแน่นกว่าที่อุณหภูมิสูงกว่า ซึ่งส่งผลให้มีความไวสูงขึ้น (ส่วนที่ 3.1 ใน Bennett et al's, 2021 Review) และ

ปลาหมึก = อุปกรณ์รบกวนควอนตัมตัวนำยิ่งยวด เทคโนโลยีที่แข็งแกร่งในช่วงกลางทศวรรษ 1960

รูป 2 OM= ออพโตกลไก, NV = NV มีศูนย์กลางอยู่ที่เพชร, Atomic Vapor Cell + SERF   = เทคโนโลยีควอนตัมอะตอมที่ติดอยู่, SQUID – SQUID (อุปกรณ์รบกวนควอนตัมตัวนำยิ่งยวด) จาก Bennett et al's, บทวิจารณ์ปี 2021: เครื่องวัดสนามแม่เหล็กที่แม่นยำสำหรับการใช้งานด้านการบินและอวกาศ  

เกี่ยวกับ OM = ออพโตเมคานิกส์: นี่เป็นหัวข้อที่สมบูรณ์ที่จะเขียนแยกกันในอนาคต หากคุณอยากรู้อยากเห็น OM ดูส่วนที่ 3.2 ใน Bennett et al's, 2021 Review รายละเอียดเพิ่มเติมใน Li et al., 2021 การตรวจจับออปโตเชิงกลของโพรง.

สมอง
แม๊ก-encephalography (เม็ก) เป็นเทคนิคทางสรีรวิทยาทางระบบประสาทที่ไม่รุกราน ซึ่งวัดสนามแม่เหล็กที่เกิดจากการทำงานของเซลล์ประสาทในสมอง เมกก็คือ โดยตรงโดยมีความละเอียดทางโลกที่สูงกว่า: ~ms และความละเอียดเชิงพื้นที่ที่สูงกว่า: ~mm มากกว่า ทางอ้อม การวัด เช่น  fMRI, PET และ SPECT

มาตรฐานทองคำสำหรับ MEG ปัจจุบันคือ SQUID แต่มาตรฐานดังกล่าวเริ่มเปลี่ยนไปในปี 2018 เป็น ควอนตัมเซลล์ไออะตอม (เอวีซี) เทคโนโลยี; โดยเฉพาะการ แมกนิโตมิเตอร์แบบปั๊มด้วยสายตา (OPM)มี Boto et al ระบบ MEG ใหม่ของปี 2018. แม้ว่าเซ็นเซอร์ SQUID จะมีความไว femtotesla (fT) แต่เซ็นเซอร์ SQUID มีข้อเสียบางประการ: 1) ข้อกำหนดในการทำความเย็นด้วยความเย็นเยือกแข็ง 2) การเคลื่อนไหวของศีรษะของผู้ป่วยที่เข้มงวดและเคลื่อนไหวภายในหน่วย ~500 กก. 3) ไม่สามารถยืดหยุ่นกับขนาดหัวที่แตกต่างกันได้ สำหรับผู้ป่วยเด็ก เซ็นเซอร์ MEG จาก SQUID ไม่เหมาะสมอย่างยิ่ง

Boto และคณะ ระบบต้นแบบ MEG-OPM ของปี 2018 จัดการกับปัญหาด้านลบเหล่านี้ด้วยหมวกกันน็อคแบบกำหนดเอง ~1 กก. ซึ่งติดตั้งเซ็นเซอร์ OPM 13 ตัว เซ็นเซอร์แต่ละตัวมีขนาด 3x3x3 มม³, ⁸⁷ส่วนประกอบที่เติมไอ Rb และให้ความร้อนที่ ~150C โดยมีอุณหภูมิตัวหมวกกันน็อค หมวกกันน็อคเป็นแบบ 'สแกนเนอร์-แคสต์' ที่พิมพ์แบบ 3 มิติ ซึ่งออกแบบมาสำหรับศีรษะของผู้ป่วย โดยใช้การสแกน MRI ทางกายวิภาค สนามแม่เหล็กถูกระบุโดยการส่งผ่านแสงที่ตรวจจับโฟโตไดโอดได้ลดลง หลังจากลำแสงเลเซอร์โพลาไรซ์แบบวงกลมขนาด 795 นาโนเมตร สปินโพลาไรซ์อะตอม Rb ของเซลล์

Feys และคณะ พฤษภาคม 2022 ทำงาน: เครื่องวัดแมกนีโตมิเตอร์แบบปั๊มบนหนังศีรษะเทียบกับแมกนีโตเอนเซฟาโลกราฟีแบบไครโอเจนิกส์สำหรับการประเมินการวินิจฉัยโรคลมบ้าหมูในเด็กวัยเรียน ปรับปรุงจากสิ่งที่กล่าวมาข้างต้นด้วยเซ็นเซอร์ 32 ตัว ทดสอบกับผู้ป่วยเด็กที่เป็นโรคลมบ้าหมูแบบโฟกัสที่ไม่ทราบสาเหตุหรือดื้อต่อการรักษา เป้าหมายการวิจัยคือการตรวจหาการปล่อยโรคลมชักระหว่าง interictal (IED) และเปรียบเทียบข้อมูล MEG-OPM กับข้อมูล MEG-SQUID งานของ Feys และคณะในปี 2022 แสดงให้เห็นว่า มี MEG-OPM ให้ ความไวที่คล้ายกัน: 1-3pT/Hz^1/2แต่มีแอมพลิจูด IED ที่สูงกว่าและสัญญาณต่อเสียงรบกวนที่สูงกว่า MEG-SQUID ทั่วไป.  รูปที่ 3 แสดงถึงการตั้งค่าการทดลอง

รูป 3 การตั้งค่าการทดลองสำหรับการวัด MEG IED ของ OPM เทียบกับ SQUID (4^th รูป) จาก เฟย์ส และคณะ 2022.

สาขาการวิจัย MEG กระตือรือร้นด้วยแนวทางใหม่ที่ใช้การออกแบบ OPM และ SERF ที่ยืดหยุ่น มองเห็นสิ่งที่อยู่ข้างหน้าได้ชัดเจนในกรณีการใช้งานของ หนังสือที่เป็นนามธรรม ของ เวิร์คช็อป สัญญาณรบกวนวันนี้ พรุ่งนี้ 2019.

อารยธรรม
มาตรฐานทองคำสำหรับการทำแผนที่สนามแม่เหล็กทางโบราณคดีคือ ด้วย เทคโนโลยีปลาหมึก ตัวอย่างที่มีชื่อเสียงซึ่งค้นพบขอบเขตทางประวัติศาสตร์ของเมืองหลวง: Karakorum แห่งยุคมองโกลคือ การตีพิมพ์ โดย Bemmann et al, 2021 เมื่อเดือนพฤศจิกายนปีที่แล้ว โดยมีผู้นำเข้ามา ธรรมชาติ. บันทึกได้แสดงภาพถ่ายภาคสนามที่ดูแปลกตา ซึ่งรวมถึงเกวียนที่บรรทุกชุดปลาหมึกแช่เย็นด้วยความเย็นที่ถูกลากโดยรถออฟโรด เหตุใดธรรมชาติจึงเน้นย้ำผลลัพธ์ทางวิทยาศาสตร์โดยใช้ SQUID ซึ่งเป็นเทคโนโลยีช่วงกลางทศวรรษ 1960 วางอุบายชนะวันนั้น

ฉันแนะนำให้ผู้ทำแผนที่แม่เหล็กทางโบราณคดีพิจารณาถึงประโยชน์ของแนวทางธรณีฟิสิกส์ในการใช้โดรน ด้วยการค้นหาคำหลัก: การทำแผนที่สนามแม่เหล็ก UAVคุณจะค้นพบเครื่องวัดสนามแม่เหล็กที่ติดตั้งโดรนโดยอิงตาม เซลล์ไออะตอม ที่ประมาณความไวของสนามแม่เหล็กของเซ็นเซอร์ SQUID: ตามลำดับหลาย pT/Hz^1/2. นอกจากนี้ ยังมีโหมดการทำงานใหม่สำหรับเซลล์ไออะตอม เช่น Mz. กะแสงกระจายได้รับการพัฒนาซึ่งจะเพิ่มความไวของแมกนิโตมิเตอร์เพิ่มเติม

พิจารณาข้อดีเหล่านี้:
1) การรวบรวมและประมวลผลข้อมูลที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น 2) ต้นทุนภาคสนามที่ลดลง 3) การเข้าถึงภูมิภาคที่ไม่สามารถเข้าถึงได้หรือมีความเสี่ยงสูง 4) ความปลอดภัยของพนักงานมากขึ้น 5) การรวม UAV กับเซ็นเซอร์ธรณีฟิสิกส์อื่น ๆและ 6) ไม่จำเป็นต้องมีไครโอสแตต ข้อเสียเมื่อเทียบกับ SQUID คือ เกลา, แทน เวกเตอร์, การวัดฟลักซ์แม่เหล็ก อย่างไรก็ตาม เซ็นเซอร์เฉื่อย GPS และอัตราการสุ่มตัวอย่างที่สูงสามารถให้ความสามารถในการทำแผนที่ได้ วิดีโอความยาว 21 นาทีจาก Geometrics ซึ่งฉันหยิบเฟรมสำหรับรูปที่ 4 แสดงให้เห็นถึง ระบบดังกล่าวในสนาม

รูป 4 การจับเฟรมจากวิดีโอเรขาคณิตซึ่ง แสดงให้เห็นถึง การทำแผนที่สนามแม่เหล็ก UAV

การเดินทางที่ปราศจาก GPS

อยู่ที่ไหน น้ำแข็งเข้ม? เราเริ่มต้นส่วนนี้ด้วยความลึกลับ Lockheed Martin ใส่ทรัพยากรที่สำคัญในการพัฒนา NV ในเครื่องวัดสนามแม่เหล็กเพชร ต้นแบบพร้อมทีมงาน (นำโดย M.J. DiMario) และ ห้างหุ้นส่วนองค์ประกอบ-6 สำหรับการผลิตเพชร สิทธิบัตร 21, การทดสอบ Dark Ice และแผนการในอนาคต, สื่อสาธารณะ (ซึ่งนำไปสู่. สื่อต่างประเทศหลายร้อยชิ้น), น้ำแข็งเข้ม เครื่องหมายการค้า และ โลโก้ การประยุกต์ใช้งานการวิจัย พิมพ์ล่วงหน้า (เอ็ดมันด์ และคณะ 2020) และ สิ่งพิมพ์ (เอ็ดมันด์ และคณะ 2021)

อย่างไรก็ตาม Lockheed Martin ไม่เคยดำเนินการตามคำขอสมัครโลโก้ และบริษัทไม่เคยให้ "คำชี้แจงการใช้งาน" เครื่องหมายการค้า (SOU) แก่ USPTO ดังนั้นโลโก้และเครื่องหมายการค้าจึงถูกทิ้ง (ต้องขอบคุณ D. Barnes มากที่เข้าใจเรื่องกฎหมาย) หัวหน้าทีม Dark Ice ออกจาก Lockheed Martin ในปี 2020 เพื่อก่อตั้งบริษัทของเขาเอง จากผลการวิจัยสาธารณะ ในรูปที่ 1 ของการพิมพ์ล่วงหน้า เครื่องมือนี้เรียกว่า "อุปกรณ์" เท่านั้น และในบทความในวารสารปี 2021 ที่เกี่ยวข้อง รูปภาพของฮาร์ดแวร์ของ Dark Ice จะถูกลบออกไปทั้งหมด ดูเหมือนว่า Dark Ice จะหายไปจาก 'ความมืด' แล้ว

รูป 5 ล็อคฮีด มาร์ตินส์ ภาพข่าวประชาสัมพันธ์ ปี 2019 ของอุปกรณ์น้ำแข็งแห่งความมืด

ต้นแบบใช้เพชรเจือไนโตรเจนสังเคราะห์ในการวัด ความแปรผันของสนามแม่เหล็ก: ความแรงและทิศทาง. เมื่อซ้อนทับด้วยแผนที่สนามแม่เหล็กโลกซึ่งจัดทำโดยสมาคมมหาสมุทรและบรรยากาศแห่งชาติ ต้นแบบดังกล่าวจะสร้างข้อมูลตำแหน่งโลก เทคโนโลยีนี้อาจสนับสนุนสถานการณ์เมื่อไม่มี GPS หรืออยู่ในสภาพที่ท้าทาย ตามเอกสารพิมพ์ล่วงหน้าและตีพิมพ์ของทีม Dark Ice ระบุว่าเพชร การสะสมไอสารเคมี (CVD) กระบวนการผลิตประสบความสำเร็จในการตรวจสอบ การฉายรังสี และ การหลอม ขั้นตอนเพื่อสนับสนุนการผลิตเพชร NV ที่มีคุณภาพเทคโนโลยีควอนตัม

วันนี้การพัฒนามุ่งเน้นไปที่ NV ในเพชร สาขาการวิจัยคือการปรับปรุงการผลิตเพชรดังกล่าวและปรับปรุงเทคโนโลยีความแม่นยำในการอ่านข้อมูล

ดังที่อธิบายไว้ในฉบับสมบูรณ์แล้ว อชาร์ด และคณะ 2020 รีวิว: CVD เพชรเม็ดเดี่ยวพร้อมศูนย์ NVข้อได้เปรียบหลักของ CVD ในการผลิตเพชรเกรดควอนตัมคือความสามารถในการออกแบบชั้นซ้อนของการเติมสารต้องห้ามและองค์ประกอบต่างๆ ด้วยวิธีแบบไดนามิกและยืดหยุ่นสูงที่สามารถปรับขนาดได้ การทบทวนนี้นำเสนอกระบวนการที่ดีที่สุดขึ้นอยู่กับการใช้งาน รวมถึงแมกนีโตเมทรี ต้องใช้ระบอบการปกครองเทคโนโลยีควอนตัม ∼10-15 ppm ซึ่งดำเนินการโดยทีมงาน Dark Ice เหมาะ สภาวะการเจริญเติบโตที่ช่วยให้มีประสิทธิภาพการใช้สารโด๊ปสูง ขณะเดียวกันก็รักษาคุณภาพผลึกไว้ ผลลัพธ์ของ Edmonds และคณะในปี 2021 ระบุเพิ่มเติมถึงปัจจัยความไวที่จำกัดสำหรับแมกนีโตมิเตอร์  วิทยานิพนธ์ปริญญาเอกปี 2021 ของ Himadri Chatterjee ใช้เพชรที่ผ่านกระบวนการ Element-6/Dark Ice กับตัวอย่างเพชรอื่นๆ และแสดงให้เห็นถึงความไวในการตรวจจับสนามแม่เหล็กใน ~100 nT/เฮิร์ตซ์^1/2 ระบอบการปกครองโดยใช้สนามแม่เหล็กดูดกลืนอินฟราเรด เขาจัดเตรียมรายการการปรับปรุงสำหรับความไวของระบบให้ถึงหลักสิบ pT/เฮิร์ตซ์^1/2 ความอ่อนไหวของนักวิจัยคนอื่นๆ วิทยานิพนธ์ของเขาและ Achard et al Review เป็นแหล่งข้อมูลที่ดีในการค้นหาคำอธิบายเกี่ยวกับความพยายามในการวิจัยของชุมชน

แม้ว่าการหายตัวไปของ Dark Ice อาจเกี่ยวข้องกับข่าวเกี่ยวกับความสามารถทางเทคนิคของแมกนีโตมิเตอร์ดังกล่าว แต่อย่ากังวล หมายเหตุนี้น่าจะทำให้คุณมั่นใจได้ว่า NV ในเครื่องวัดสนามแม่เหล็กเพชรยังคงเดินหน้าต่อไป

อมรา เกรปส์ พญ. เป็นนักฟิสิกส์สหวิทยาการ นักวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ นักสื่อสารวิทยาศาสตร์ และนักการศึกษา และผู้เชี่ยวชาญเกี่ยวกับเทคโนโลยีควอนตัมทั้งหมด