Kuantum Manyetometreler: İnsan Alemlerinde Gezinmek

Eğer bir kuantum teknolojisi insan yaşamlarımızı daha sağlıklı, daha zengin ve daha keyifli hale getiremiyorsa, o zaman değeri nedir? İnsan alemindeki bu kuantum teknolojisi kullanım durumları: Beyin, Medeniyet, ve GPS'siz Seyahat, manyetik alanları eskisinden daha yüksek hassasiyetle ve kullanım kolaylığıyla araştırın.

Bugün araştırdığımız manyetik B alanının aralığı 1pT – 1fT'dir. Bkz. Şekil 1. Dünyanın manyetik alanı genlik (10^-4 T) ~1000 kat daha büyük göre çevresel gürültü (10^-7-10^-9 T) ve kafa derisinde nöral akımlar tarafından üretilen manyetik alanlardan ~100 milyon kat daha büyük. Manyeto-ensefalografi (MEG)

Şekil 1. Yüksek Hassasiyetli Manyetik Alan Sensörü Teknolojisi slayt 11'den David Pappas'ın (NIST) öğreticisi Amerikan Fizik Derneği toplantısının APS 2008 Mart Toplantısında.

Bennett ve arkadaşlarının, 2021 İncelemesi: Havacılık ve Uzay Uygulamaları için Hassas Manyetometreler Açıklamalı Şekil 2'de ilgi alanımız gösterilmektedir. Kırmızı dikdörtgende sensörlerin daha küçük boyutlara, daha hassas çözünürlüğe ve daha küçük güç gereksinimlerine doğru ilerlediğini görüyoruz. Kullanım durumlarımız açısından özellikle ilgi çekici olan şu dört tanesidir:

• NV = elmastaki nitrojen boşluğu (bkz. IQT: Kuantum Elmas Açıkları ve Varlıkları);
• AVC = atomik buhar hücresi: 400K alkali atom buharını tutan bir cam hücre, lazer aydınlatması üzerine dönüşlerini hizalayacaktır. Bir manyetik alan mevcutsa, yeniden iletilen ışıkta bir polarizasyon veya genlik değişikliği ortaya çıkar (Bennett ve diğerleri, 3.1'de bölüm 2021);
• SERF = Döndürme Değişimi Gevşemesi Olmayan: AVC gibi, ancak daha yüksek sıcaklıkta daha yoğun buhar, daha yüksek hassasiyetle sonuçlanır (Bennett ve diğerleri, 3.1 İncelemesinde bölüm 2021); Ve

KALAMAR = süper iletken kuantum girişim cihazları; 1960'ların ortasındaki sağlam teknoloji

Şekil 2. OM= optomekanik, NV = elmastaki NV merkezleri, Atomik Buhar Hücresi + SERF = hapsedilmiş atom kuantum teknolojisi, SQUID – SQUID (Süper İletken Kuantum Girişim Cihazı), Bennett ve diğerlerinden, 2021 İncelemesi: Havacılık ve Uzay Uygulamaları için Hassas Manyetometreler  

ilişkin OM = Optomekanik: Bu ileride ayrıca yazılacak zengin bir konudur. OM meraklısıysanız, Bennett ve diğerleri, 3.2 İncelemesi'ndeki bölüm 2021'ye, daha fazla ayrıntı için Li ve diğerleri, 2021'e bakın. Boşluk Optomekanik Algılama.

Beyinler
Manyeto-ensefalografi (MEG) beyindeki nöronal aktivite tarafından üretilen manyetik alanları ölçen, invaziv olmayan, nörofizyolojik bir tekniktir. MEG: direkt, daha yüksek zamansal çözünürlükle: ~ms ve daha yüksek uzaysal çözünürlükle: ~mm, dolaylı fMRI, PET ve SPECT gibi ölçümler.

MEG'ler için altın standart şu anda SQUID'dir, ancak bu standart 2018'de değişmeye başladı. atomik buhar hücresi kuantumu (ESÜ) teknoloji; özellikle optik pompalı manyetometreler (OPM'ler)Ile Boto ve diğerleri, 2018'in yeni MEG sistemi. SQUID sensörleri femtotesla (fT) duyarlılığına sahipken, SQUID sensörlerinin bazı olumsuzlukları vardır: 1) kriyojenik soğutma gereksinimleri, 2) ~500 kg'lık bir ünite içinde katı, hasta başı hareketi, 3) değişen kafa boyutlarına karşı esneklik. Pediatrik hastalar için SQUID sensörlerinin MEG'leri özellikle uygun değildir.

Boto ve diğerleri, 2018'in MEG-OPM prototip sistemi, 1 OPM sensörünün monte edildiği ~13 kg'lık özel bir kaskla bu olumsuzlukları giderdi. Her sensör 3x3x3 mm boyutundaydı³, ⁸⁷Kask vücut sıcaklığında, ~150C'de Rb buharıyla doldurulmuş ve ısıtılmış bileşen. Kask, anatomik MRI taraması kullanılarak hastanın kafasına göre tasarlanmış, 3D baskılı bir 'tarayıcı kalıbıydı'. Manyetik alan, 795 nm'lik dairesel polarize bir lazer ışınının hücrenin Rb atomlarını spin-polarize etmesinden sonra, ışık iletiminde fotodiyot tarafından tespit edilebilir bir düşüşle gösterildi.

Feys ve diğerleri, Mayıs 2022 çalışması: Okul Çağındaki Çocuklarda Epilepsinin Tanısal Değerlendirilmesinde Kafa Derisi Üzerine Optik Pompalı Manyetometrelere Karşı Kriyojenik Manyetoensefalografi idiyopatik veya dirençli fokal epilepsisi olan pediatrik hastalarla test edilen 32 sensörle yukarıdakilerin üzerinde iyileştirmeler yapıyor. Araştırmanın amacı interiktal epileptik deşarjları (IED'ler) tespit etmek ve MEG-OPM verilerini MEG-SQUID verileriyle karşılaştırmaktı. Feys ve diğerleri, 2022'nin çalışması şunu gösterdi: MEG-OPM sağlandı benzer hassasiyet: 1-3pT/Hz^1/2ancak geleneksel MEG-SQUID'lere göre daha yüksek IED genliği ve daha yüksek sinyal-gürültü oranı.  Şekil 3 deney düzeneğini gösterir.

Şekil 3 OPM'ye karşı SQUID'in MEG IED ölçümü için Deneysel Kurulum (4^th şekil) itibaren Feys ve diğerleri, 2022.

MEG araştırma alanı, esnek OPM ve SERF tasarımlarını uygulayan yeni yaklaşımlarla aktiftir. Kullanım durumlarında ileriye dönük bir bakış görülebilir. Özet kitabı arasında Bugünün Gürültüsü Yarının Sinyali 2019 atölyesi.

Medeniyetler
Arkeolojik manyetik alan haritalamasında altın standart Ayrıca SQUID teknolojisi. Başkentin tarihsel boyutunu ortaya çıkaran dikkat çekici bir örnek: Moğol Dönemi Karakurum'u yayınlanan Bemmann ve diğerleri, 2021, geçen Kasım, önde gelen Tabiat. Dergide, bir arazi aracı tarafından çekilen, kriyonik olarak soğutulmuş SQUID'leri taşıyan bir vagonun da yer aldığı, egzotik görünümlü bir saha fotoğrafı yer alıyordu. Doğa neden 1960'ların ortasındaki teknoloji olan SQUID'e dayalı bir bilim sonucunu öne çıkarsın ki? Entrika günü kazandı.

Arkeolojik manyetik haritacılara, insansız hava araçlarını kullanma konusunda jeofizik yaklaşımın faydalarını dikkate almalarını öneriyorum. Anahtar kelime aramasıyla: İHA manyetik alan haritalaması, insansız hava aracına monte edilen manyetometreleri keşfedeceksiniz. atomik buhar hücreleri SQUID sensörlerinin manyetik alan akısı duyarlılığına yaklaşan: birkaç pT/Hz mertebesinde^1/2. Ayrıca atomik buhar hücreleri için yeni çalışma modları da geliştirildi. ışık kaymasıyla dağılmış MzManyetometrenin hassasiyetini daha da artıracak şekilde geliştirilmiştir.

Şu avantajları göz önünde bulundurun:
1) Daha verimli veri toplama ve işleme, 2) daha düşük saha maliyeti, 3) erişilemeyen veya yüksek riskli bölgelere erişim, 4) daha fazla işçi güvenliği, 5) İHA'nın diğer jeofizik sensörlerle entegrasyonuve 6) kriyostatlara gerek yoktur. SQUID ile karşılaştırıldığında bir dezavantaj sayısal, Yerine vektör, Manyetik akı ölçümü. Bununla birlikte, GPS atalet sensörleri ve yüksek örnekleme oranı, haritalama yetenekleri sağlayabilir. Şekil 21 için bir çerçeve yakaladığım Geometrics'in bu 4 dakikalık videosu, gösteriyor sahada böyle bir sistem var.

Şekil 4 Bir Geometrics videosundan bir kare yakalama gösteriyor İHA manyetik alan haritalaması

GPS'siz Seyahat

Nerede Kara Buz? Bu bölüme bir gizemle başlıyoruz. Lockheed Martin, Elmas manyetometrede NV prototip, bir ekiple (MJ DiMario liderliğinde), Element-6 ortaklığı elmas üretimi için, 21 patentleri, Dark Ice testleri ve gelecek planları, kamu basını (neye yol açtı yüzlerce uluslararası basın yazısı), Kara Buz marka ve logo uygulamalar, bir araştırma ön baskı (Edmonds ve diğerleri, 2020) ve yayın (Edmonds ve diğerleri, 2021).

Ancak Lockheed Martin, logo başvuru talebini hiçbir zaman yerine getirmedi ve şirket, USPTO'ya hiçbir zaman bir ticari marka "kullanım bildirimi" (SOU) sunmadı. Bu nedenle logo ve ticari marka kaldırıldı (yasallıkları anladığı için D. Barnes'a çok teşekkürler). Dark Ice ekip lideri, kendi şirketini kurmak için 2020 yılında Lockheed Martin'den ayrıldı. Kamuya açık araştırma sonuçlarından ön baskının Şekil 1'inde enstrümanın yalnızca 'Cihaz' olarak adlandırıldığı ve ilgili 2021 dergi makalesinde Dark Ice'ın donanımının fotoğrafı tamamen silindiği görülüyor. Dark Ice 'Karanlığa' dönmüş gibi görünüyor.

Şekil 5 Lockheed Martin'in 2019 basın bülteni fotoğrafı Dark Ice cihazının

Prototip, ölçmek için sentetik nitrojen katkılı bir elmas kullandı. Manyetik alan değişimleri: güç ve yön. Prototip, Ulusal Okyanus ve Atmosfer Birliği tarafından sağlanan Dünya'nın manyetik alanı haritalarıyla kaplandığında, Dünya'nın konum bilgisini üretti. Bu teknoloji, GPS'in mevcut olmadığı veya başka türlü zorlu koşullardaki durumları potansiyel olarak destekleyecektir. Dark Ice ekibinin ön baskı ve yayınlanmış makalelerine göre, elmasın kimyasal buhar biriktirme (CVD) üretim süreci araştırmak için başarılı oldu ışınlama ve tavlama kuantum teknolojisi kalitesinde NV elmaslarının üretimini destekleyen prosedürler.

Günümüzde kalkınma odağı NV elmasta Araştırma alanı bu tür elmasların üretimini geliştirmek ve okuma doğruluğu teknolojilerini geliştirmektir.

Kapsamlı bölümde açıklandığı gibi Achard ve diğerleri, 2020 İnceleme: NV merkezli CVD elmas tek kristalleriCVD'nin kuantum dereceli elmas yapımında temel avantajı, farklı katkı ve bileşimlerden oluşan yığılmış katmanları dinamik ve ölçeklenebilecek çok esnek bir şekilde tasarlama yeteneğidir. İnceleme, manyetometri de dahil olmak üzere uygulamaya bağlı en iyi süreçleri sunar. Dark Ice ekibi tarafından uygulanan ∼10-15 ppm kuantum teknolojisi rejimi şunları gerektirir: uyarlanmış kristal kalitesini korurken yüksek doping verimliliğine olanak tanıyan büyüme koşulları. Edmonds ve diğerleri, 2021 sonuçları ayrıca bir manyetometre için sınırlayıcı hassasiyet faktörlerini tanımladı.  Himadri Chatterjee'nin 2021 doktora tezi Element-6/Dark Ice proses elmasını diğer elmas numuneleriyle birlikte kullandı ve manyetik alan algılama hassasiyetlerini gösterdi. ~100 nT/Hz^1/2 IR absorpsiyon manyetometrisi kullanılarak rejim. Sistemin hassasiyetinin onlarca seviyeye ulaşması için iyileştirme listesi sundu. pT/Hz^1/2 diğer araştırmacıların duyarlılığı. Onun tezi ve Achard ve diğerlerinin İncelemesi, topluluğun araştırma çabalarının açıklamalarını bulmak için iyi kaynaklardır.

Dark Ice'ın ortadan kaybolması bu tür manyetometrelerin teknik açıdan uygulanabilirliğiyle ilgili haberlere yol açsa da endişelenmeyin. Bu not, NV'nin elmas manyetometresindeki ilerlemenin devam ettiği konusunda size güvence vermelidir.

Amara Graps, Ph.D. disiplinlerarası bir fizikçi, gezegen bilimci, bilim iletişimcisi ve eğitimci ve tüm kuantum teknolojilerinde uzmandır.