By Амара Грапс опубліковано 26 липня 2022 р
Якщо квантова технологія не може зробити наше людське життя здоровішим, багатшим і приємнішим, то яка її цінність? Ці приклади використання квантових технологій у людському царстві: Мізки, Цивілізація та Подорожі без GPS, досліджуйте магнітні поля з більшою чутливістю та простотою використання, ніж раніше.
Діапазон магнітного B-поля, який ми сьогодні досліджуємо, становить 1pT — 1fT. Див. рис. 1 Магнітне поле Землі амплітуда (10-4 T) є ~1000 разів більше ніж екологічний шум (10-7-10-9 T) і приблизно в 100 мільйонів разів більше, ніж магнітні поля, створені на шкірі голови нейронними струмами в магнітоенцефалографія (МЕГ)
Малюнок 1. З високочутливої технології датчика магнітного поля, слайд 11, оф Підручник Девіда Паппаса (NIST). на березневій зустрічі APS 2008 Американського фізичного товариства.
Огляд Беннетта та інших, 2021 рік: Прецизійні магнітометри для аерокосмічного застосування на коментованому рис. 2 показано нашу область інтересів. У червоному прямокутнику ми бачимо, що датчики переходять до: менших розмірів, більш точної роздільної здатності та менших потреб у електроенергії. Особливий інтерес для наших випадків використання представляють ці чотири:
- NV = вакансія азоту в алмазі (див. IQT: Дефіцит і активи Quantum Diamond);
- AVC = атомно-парова комірка: скляна комірка, що містить 400K пари атомів лугу, під час лазерного освітлення вирівняє свої оберти. Якщо присутнє магнітне поле, з’являється поляризація або зміна амплітуди повторно переданого світла (розділ 3.1 у Bennett et al’s, 2021);
- КРІПАК = Spin Exchange Relaxation-Free: як AVC, але щільніша пара при вищій температурі, що призводить до вищої чутливості (розділ 3.1 у Bennett et al’s, 2021 Review); і
Кальмари = надпровідні квантові інтерференційні пристрої; надійна технологія середини 1960-х років
Малюнок 2. OM = оптомеханічний, NV = NV центри в алмазі, атомна парова комірка + SERF = квантова технологія захопленого атома, SQUID – SQUID (надпровідний квантовий інтерференційний пристрій), від Беннетта та інших, Огляд 2021: Прецизійні магнітометри для аерокосмічного застосування
Що стосується OM = Оптомеханіка: це багата тема, про яку в майбутньому буде написано окремо. Якщо вам цікаво OM, див. розділ 3.2 у Bennett et al., 2021 Review, додаткові відомості в Li et al., 2021 Оптико-механічне зондування порожнини.
Мізки
Магніто-енцефалографія (МЕГ) це неінвазивна нейрофізіологічна техніка, яка вимірює магнітні поля, створювані нейрональною активністю мозку. МЕГ є прямий, з вищою часовою роздільною здатністю: ~ мс і вищою просторовою роздільною здатністю: ~ мм, ніж непрямий вимірювань, таких як фМРТ, ПЕТ та ОФЕКТ.
Наразі золотим стандартом для MEG є SQUID, але в 2018 році цей стандарт почав змінюватися квант атомної парової комірки (інсульт) технології; зокрема, до магнітометри з оптичною накачкою (OPM), С Бото та інші, нова система MEG 2018 року. У той час як датчики SQUID мають чутливість фемтотесла (fT), датчики SQUID мають деякі недоліки: 1) вимоги до кріогенного охолодження, 2) жорсткість, рух голови пацієнта всередині пристрою вагою ~500 кг, 3) негнучкість до змінних розмірів голови. Для педіатричних пацієнтів МЕГ від датчиків SQUID особливо непридатні.
Бото та інші, прототип системи MEG-OPM від 2018 року, усунув ці недоліки за допомогою спеціального шолома ~1 кг, де було встановлено 13 датчиків OPM. Кожен датчик мав розмір 3x3x3 мм3, 87Компонент, наповнений парами Rb і нагрітий до ~150C, з температурою тіла шолома. Шолом був надрукованим на 3D-принтері «зліпком зі сканера», розробленим для голови пацієнта за допомогою анатомічного МРТ-сканування. Магнітне поле визначалося спадом пропускання світла, який виявляв фотодіод, після того, як промінь лазера з круговою поляризацією на довжині довжини 795 нм поляризував спином атоми Rb клітини.
Робота Feys та ін., травень 2022 р: Магнітометри з оптичною накачкою на шкірі голови та кріогенна магнітоенцефалографія для діагностичної оцінки епілепсії у дітей шкільного віку покращує вищезазначене за допомогою 32 датчиків, протестованих на педіатричних пацієнтів з ідіопатичною або рефрактерною фокальною епілепсією. Метою дослідження було виявлення міжнападових епілептичних розрядів (IED) і порівняння даних MEG-OPM з даними MEG-SQUID. Робота Feys та ін., 2022 рік, це продемонструвала МЕГ-ОПМ забезпечено аналогічна чутливість: 1-3pT/Hz1/2, але вищу амплітуду IED і вище співвідношення сигнал/шум, ніж у звичайних MEG-SQUID. На рисунку 3 показана експериментальна установка.
малюнок 3 Експериментальна установка для вимірювання MEG IED OPM проти SQUID (4th фігура) від Фейс та інші, 2022.
Дослідницька галузь MEG активно працює з новими підходами до реалізації гнучких дизайнів OPM і SERF. Коротко про те, що нас чекає, можна побачити у випадках використання Книга рефератів в Сьогоднішній семінар Noise Tomorrow’s Signal 2019.
Цивілізації
Золотим стандартом картографування археологічного магнітного поля є Також Технологія SQUID. Гучний приклад, який відкрив історичні масштаби столиці: Каракорум монгольської ери, був опублікований Бемманом та іншими, 2021 рік, листопад минулого року, з лідером природа. Журнал показав екзотичне на вигляд польове фото, яке включало фургон з набором кріонічно охолоджених сквідів, які тягнув позашляховик. Чому Nature висвітлює науковий результат, заснований на SQUID, який є технологією середини 1960-х років? Перемогла інтрига.
Я пропоную археологам-магнітним картографам розглянути переваги геофізичного підходу до використання дронів. За допомогою пошуку за ключовими словами: Картування магнітного поля БПЛА, ви відкриєте для себе встановлені на дронах магнітометри, засновані на атомні парові комірки які наближаються до чутливості до потоку магнітного поля датчиків SQUID: порядку кількох пТл/Гц1/2. Крім того, нові робочі режими для атомних парових елементів, таких як світлодисперсна Mz, які ще більше підвищать чутливість магнітометра.
Розглянемо ці переваги:
1) Ефективніший збір і обробка даних, 2) нижча польова вартість, 3) доступ до важкодоступних регіонів або регіонів високого ризику, 4) більша безпека працівників, 5) Інтеграція БПЛА з іншими геофізичними датчиками6) відсутність потреби в кріостатах. Недоліком порівняно з SQUID є скалярний, замість вектор, вимірювання магнітного потоку. Однак інерційні датчики GPS і висока частота дискретизації можуть забезпечити можливості картографування. Це 21-хвилинне відео від Geometrics, з якого я взяв кадр для рис. 4, демонструє така система в поль.
малюнок 4 Кадр із відео Geometrics, який демонструє Картування магнітного поля БПЛА
Подорож без GPS
Де Темний лід? Ми починаємо цей розділ із загадки. Lockheed Martin вкладає значні ресурси в розробку НВ в алмазному магнітометрі прототип, з командою (на чолі з M.J. DiMario), ан Партнерство Елемент-6 для виготовлення алмазів, Патенти 21, Випробування Dark Ice і плани на майбутнє, громадська преса (що призвело до сотні матеріалів міжнародної преси), Темний лід товарний знак і логотип додатків, дослідж передрук (Edmonds et al, 2020) і публікація (Едмондс та інші, 2021).
Тим не менш, Lockheed Martin так і не задовольнив свій запит щодо застосування логотипу, і компанія ніколи не надала «заяву про використання» торгової марки (SOU) до USPTO. Тому логотип і товарний знак були вилучені (велике спасибі Д. Барнсу за розуміння законності). Керівник команди Dark Ice залишив Lockheed Martin у 2020 році, щоб створити власну компанію. З публічних результатів дослідження на малюнку 1 препринту інструмент називається лише «Пристрій», а у відповідній журнальній статті за 2021 рік фотографію апаратного забезпечення Dark Ice взагалі видалено. Здається, Dark Ice став «темним».
малюнок 5 Локхід Мартін Фото прес-релізу 2019 року пристрою Dark Ice
У прототипі для вимірювання використовувався синтетичний алмаз, легований азотом зміни магнітного поля: напруженість і напрямок. Після накладання карт магнітного поля Землі, наданих Національною асоціацією океанів і атмосфери, прототип створив інформацію про місцезнаходження Землі. Ця технологія потенційно може підтримувати ситуації, коли GPS недоступний або в інших складних умовах. Відповідно до препринтів команди Dark Ice і опублікованих документів, алмаз хімічне осадження з парової фази (CVD) виробничий процес пройшов успішно опромінення та відпал процедури для підтримки виробництва квантово-технологічних алмазів NV якості.
Сьогодні розвиток фокусується на НВ в ромб Поле дослідження полягає в удосконаленні виробництва таких алмазів і покращенні технологій точності зчитування.
Як описано в комплексному Ачард та інші, 2020 огляд: CVD монокристали алмазу з центрами NVОсновними перевагами CVD для виготовлення алмазів квантового класу є можливість створювати складені шари з різним легуванням і складом динамічним і дуже гнучким способом, який можна масштабувати. Огляд представляє найкращі процеси в залежності від застосування, в тому числі для магнітометрії. Квантово-технологічний режим ~10-15 ppm, реалізований командою Dark Ice, вимагає пристосований умови росту, що забезпечують високу ефективність легування, зберігаючи якість кристалів. Результати Едмондса та інших, 2021 рік, додатково визначили обмежувальні фактори чутливості для магнітометра. Докторська дисертація Гімадрі Чаттерджі 2021 року використав алмаз Element-6/Dark Ice з іншими зразками алмазів і продемонстрував чутливість виявлення магнітного поля в ~100 нТл/Гц1/2 режимі, використовуючи ІЧ-абсорбційну магнітометрію. Він надав список покращень, щоб чутливість системи досягала десятків pT/Гц1/2 чутливість інших дослідників. Його дисертація та огляд Ачарда та інших є гарними джерелами для пошуку описів дослідницьких зусиль спільноти.
Хоча зникнення Dark Ice може викликати занепокоєння в новинах про технічну життєздатність таких магнітометрів, не хвилюйтеся. Ця примітка має запевнити вас, що NV у алмазному магнітометрі прогресує.
Амара Грапс, Ph.D. є міждисциплінарним фізиком, планетологом, науковим комунікатором і викладачем, а також експертом з усіх квантових технологій.
