کوانٹم میگنیٹومیٹرز: انسانی دائروں میں گشت کرنا

اگر ایک کوانٹم ٹیکنالوجی ہماری انسانی زندگیوں کو صحت مند، دولت مند اور زیادہ پرلطف نہیں بنا سکتی، تو اس کی کیا قیمت ہے؟ یہ انسانی دائرے، کوانٹم ٹیکنالوجی کے استعمال کے معاملات: دماغ، تہذیب، اور GPS مفت سفرپہلے سے زیادہ حساسیت اور استعمال میں آسانی کے ساتھ مقناطیسی شعبوں کی جانچ کریں۔

مقناطیسی بی فیلڈ کی حد جس کی ہم آج جانچ کر رہے ہیں 1pT - 1fT ہے۔ تصویر 1 دیکھیں زمین کا مقناطیسی میدان طول و عرض (10^-4 ٹی) ہے۔ ~ 1000 گنا بڑا سے ماحولیاتی شور (10^-7-10^-9 T)، اور ~ 100 ملین گنا زیادہ مقناطیسی شعبوں سے جو کھوپڑی میں عصبی دھاروں سے پیدا ہوتے ہیں۔ میگنیٹو انسیفالوگرافی (MEG)

چترا 1 ہے. ہائی سنسیٹیویٹی میگنیٹک فیلڈ سینسر ٹیکنالوجی سلائیڈ 11 سے ڈیوڈ پاپاس (این آئی ایس ٹی) کا ٹیوٹوریل اے پی ایس 2008 مارچ میں امریکن فزیکل سوسائٹی کے اجلاس میں۔

Bennett et al's, 2021 جائزہ: ایرو اسپیس ایپلی کیشنز کے لیے پریسجن میگنیٹومیٹر تشریح شدہ تصویر 2 میں ہماری دلچسپی کا علاقہ دکھایا گیا ہے۔ سرخ مستطیل میں، ہم دیکھتے ہیں کہ سینسر اس طرف منتقل ہو رہے ہیں: چھوٹے سائز، زیادہ درست ریزولیوشن، اور بجلی کی چھوٹی ضروریات۔ ہمارے استعمال کے معاملات میں خاص دلچسپی یہ چار ہیں:

• NV = ہیرے میں نائٹروجن خالی جگہ (دیکھیں IQT: کوانٹم ڈائمنڈ خسارے اور اثاثے);
• AVC = ایٹمی بخارات کا خلیہ: ایک شیشے کا خلیہ جس میں الکلی ایٹموں کا 400K بخارات ہوتا ہے، لیزر کی روشنی میں، اس کے گھماؤ کو سیدھ میں لے گا۔ اگر مقناطیسی میدان موجود ہے تو، دوبارہ منتقل ہونے والی روشنی میں پولرائزیشن یا طول و عرض میں تبدیلی ظاہر ہوتی ہے (بینیٹ ایٹ الز، 3.1 میں سیکشن 2021)؛
• SERF = سپن ایکسچینج ریلیکسیشن فری: AVC کی طرح، لیکن زیادہ درجہ حرارت پر بخارات کی کثافت، جس کے نتیجے میں حساسیت زیادہ ہوتی ہے (Bennett et al's، 3.1 کا جائزہ میں سیکشن 2021)؛ اور

سکویڈ = سپر کنڈکٹنگ کوانٹم مداخلت کے آلات؛ 1960 کی دہائی کے وسط کی مضبوط ٹیکنالوجی

چترا 2 ہے. OM= optomechanical، NV = NV سینٹرز ان ڈائمنڈ، اٹامک ویپر سیل + SERF = پھنسے ہوئے ایٹم کوانٹم ٹیکنالوجی، SQUID - SQUID (سپر کنڈکٹنگ کوانٹم انٹرفیس ڈیوائس)، Bennett et al's، 2021 سے جائزہ: ایرو اسپیس ایپلی کیشنز کے لیے پریسجن میگنیٹومیٹر  

کے بارے میں OM = Optomechanical: یہ ایک بھرپور موضوع ہے جسے مستقبل میں الگ سے لکھا جائے گا۔ اگر آپ او ایم کے بارے میں متجسس ہیں تو، Bennett et al's، 3.2 جائزہ میں سیکشن 2021 دیکھیں، مزید تفصیلات Li et al., 2021 میں کیوٹی آپٹو مکینیکل سینسنگ.

دماغ
میگنیٹو انسیفالوگرافی (MEG) ایک غیر حملہ آور، نیورو فزیولوجیکل تکنیک ہے جو دماغ کی نیورونل سرگرمی سے پیدا ہونے والے مقناطیسی شعبوں کی پیمائش کرتی ہے۔ ایم ای جی ہے۔ براہ راست, زیادہ وقتی ریزولوشن کے ساتھ: ~ms، اور زیادہ مقامی ریزولوشن: ~mm, than بلاواسطہ پیمائش، جیسے fMRI، PET اور SPECT۔

MEGs کے لیے سونے کا معیار فی الحال SQUID ہے، لیکن یہ معیار 2018 میں تبدیل ہونا شروع ہوا جوہری بخارات سیل کوانٹم (اسٹروک) ٹیکنالوجی؛ خاص طور پر، کرنے کے لئے آپٹیکلی پمپڈ میگنیٹومیٹر (OPMs)، کے ساتھ Boto et al، 2018 کا نیا MEG سسٹم. جب کہ SQUID سینسرز میں femtotesla (fT) حساسیت ہوتی ہے، SQUID سینسرز کے کچھ منفی ہوتے ہیں: 1) کرائیوجینک کولنگ کے تقاضے، 2) ~ 500 کلوگرام یونٹ کے اندر سخت، مریض کے سر کی حرکت، 3) سر کے مختلف سائز میں لچک۔ بچوں کے مریضوں کے لیے، SQUID سینسر کے ذریعے MEGs خاص طور پر غیر موزوں ہیں۔

Boto et al، 2018 کے MEG-OPM پروٹوٹائپ سسٹم نے ان منفیوں کو ~1kg کسٹم ہیلمٹ کے ساتھ حل کیا، جہاں 13 OPM سینسر لگائے گئے تھے۔ ہر سینسر 3x3x3 ملی میٹر تھا۔³, ⁸⁷Rb-بخار سے بھرا ہوا اور گرم جزو ~150C پر، ہیلمیٹ کے جسمانی درجہ حرارت کے ساتھ۔ ہیلمٹ ایک 3D پرنٹ شدہ 'سکینر کاسٹ' تھا، جسے مریض کے سر کے لیے ڈیزائن کیا گیا تھا، جس میں ایک جسمانی MRI اسکین استعمال کیا گیا تھا۔ مقناطیسی میدان کی نشاندہی روشنی کی ترسیل میں فوٹوڈیوڈ-ڈیٹیکٹ ایبل ڈراپ کے ذریعے کی گئی تھی، 795 nm کے بعد، سرکلر پولرائزڈ لیزر بیم، سیل کے Rb ایٹموں کو اسپن پولرائز کرتی ہے۔

Feys et al، مئی 2022 کام: اسکول جانے والے بچوں میں مرگی کی تشخیصی تشخیص کے لیے کریوجینک میگنیٹوئنسیفالوگرافی بمقابلہ سر پر آپٹیکلی پمپڈ میگنیٹومیٹر مندرجہ بالا 32 سینسروں کے ساتھ بہتر ہوتا ہے، بچوں کے مریضوں کے ساتھ تجربہ کیا جاتا ہے، جن کو idiopathic یا refractory focal epilepsy ہے۔ تحقیق کا مقصد انٹریکٹل ایپی لیپٹک ڈسچارجز (IEDs) کا پتہ لگانا اور MEG-OPM ڈیٹا کا MEG-SQUID ڈیٹا سے موازنہ کرنا تھا۔ Feys et al، 2022 کے کام نے یہ ظاہر کیا۔ MEG-OPM فراہم کیا گیا۔ اسی طرح کی حساسیت: 1-3pT/Hz^1/2، لیکن روایتی MEG-SQUIDs سے زیادہ IED طول و عرض اور زیادہ سگنل ٹو شور.  شکل 3 تجرباتی سیٹ اپ کی نشاندہی کرتی ہے۔

چترا 3 OPM بمقابلہ SQUID کی MEG IED پیمائش کے لیے تجرباتی سیٹ اپ (4^th اعداد و شمار) سے فیز وغیرہ، 2022.

MEG ریسرچ فیلڈ لچکدار OPM اور SERF ڈیزائن کو نافذ کرنے والے نئے طریقوں کے ساتھ سرگرم ہے۔ آگے کیا ہے اس کی ایک جھلک استعمال کے معاملات میں دیکھی جا سکتی ہے۔ خلاصہ کتاب کی آج کا شور کل سگنل 2019 ورکشاپ.

تہذیبیں
آثار قدیمہ کے مقناطیسی میدان کی نقشہ سازی کے لیے سونے کا معیار ہے۔ بھی SQUID ٹیکنالوجی. ایک اعلیٰ مثال، جس نے دارالحکومت کی تاریخی حد کو دریافت کیا: منگول دور کا قراقرم، تھا شائع بذریعہ Bemmann et al، 2021، گزشتہ نومبر میں، ایک برتری کے ساتھ فطرت، قدرت. جریدے نے ایک غیر ملکی نظر آنے والی فیلڈ تصویر دکھائی، جس میں ایک ویگن شامل تھی جس میں کرائیونک طور پر ٹھنڈے SQUIDs کا ایک سیٹ تھا جسے ایک آف روڈ گاڑی نے کھینچ لیا تھا۔ فطرت SQUID پر مبنی سائنس کے نتائج کو کیوں اجاگر کرے گی، جو کہ 1960 کی دہائی کے وسط کی ٹیکنالوجی ہے؟ سازش دن جیت گئی۔

میں آثار قدیمہ کے مقناطیسی نقشہ سازوں کو مشورہ دیتا ہوں کہ وہ ڈرون استعمال کرنے کے لیے جیو فزکس اپروچ کے فوائد پر غور کریں۔ مطلوبہ الفاظ کی تلاش کے ساتھ: UAV مقناطیسی فیلڈ میپنگ، آپ کو ڈرون ماونٹڈ، میگنیٹومیٹر، کی بنیاد پر دریافت کریں گے۔ جوہری بخارات کے خلیات جو SQUID سینسر کی مقناطیسی فیلڈ فلوکس حساسیت کا تخمینہ لگاتا ہے: کئی pT/Hz کی ترتیب پر^1/2. اس کے علاوہ، جوہری بخارات کے خلیات کے لیے نئے آپریشنل موڈز، جیسے لائٹ شفٹ منتشر Mz، تیار کیا گیا ہے، جو میگنیٹومیٹر کی حساسیت کو مزید بڑھا دے گا۔

ان فوائد پر غور کریں:
1) زیادہ موثر ڈیٹا اکٹھا کرنا اور پروسیسنگ، 2) کم فیلڈ لاگت، 3) ناقابل رسائی یا زیادہ خطرے والے علاقوں تک رسائی، 4) کارکنوں کی زیادہ حفاظت، 5) دوسرے جیو فزیکل سینسر کے ساتھ UAV انضمام، اور 6) کریوسٹیٹس کی ضرورت نہیں ہے۔ SQUID کے مقابلے میں ایک نقصان ہے۔ اسکیلرکے بجائے ، ویکٹر مقناطیسی بہاؤ کی پیمائش تاہم، جی پی ایس انرشیل سینسرز اور اعلیٰ نمونے لینے کی شرح نقشہ سازی کی صلاحیتیں فراہم کر سکتے ہیں۔ جیومیٹرکس کی یہ 21 منٹ کی ویڈیو، جس سے میں نے تصویر 4 کے لیے ایک فریم پکڑا، ثبوت میدان میں ایسا نظام۔

چترا 4 جیومیٹرکس ویڈیو سے ایک فریم پکڑو، جو ثبوت UAV مقناطیسی فیلڈ میپنگ

GPS سے پاک سفر

کہاں ہے گہری برف? ہم اس حصے کو ایک راز سے شروع کرتے ہیں۔ لاک ہیڈ مارٹن نے اس کی ترقی میں اہم وسائل لگائے ڈائمنڈ میگنیٹومیٹر میں NV پروٹوٹائپ، ایک ٹیم کے ساتھ (ایم جے ڈیماریو کی قیادت میں)، ایک عنصر-6 شراکت داری ہیرے کی تیاری کے لیے، 21 پیٹنٹ, ڈارک آئس ٹیسٹ اور مستقبل کے منصوبے, عوامی پریس (جس کی وجہ سے سینکڑوں بین الاقوامی پریس کے ٹکڑے)، گہری برف ٹریڈ مارک اور ایک علامت (لوگو) ایپلی کیشنز، ایک تحقیق پری پرنٹ (Edmonds et al، 2020) اور اشاعت (Edmonds, et al, 2021)۔

اس کے باوجود لاک ہیڈ مارٹن نے کبھی بھی اپنے لوگو کی درخواست کی پیروی نہیں کی، اور کمپنی نے کبھی بھی USPTO کو ٹریڈ مارک "استعمال کا بیان" (SOU) فراہم نہیں کیا۔ اس لیے لوگو اور ٹریڈ مارک کو گرا دیا گیا (قانونیت کو سمجھنے کے لیے ڈی بارنس کا بہت شکریہ)۔ ڈارک آئس ٹیم کے لیڈر نے اپنی کمپنی بنانے کے لیے 2020 میں لاک ہیڈ مارٹن کو چھوڑ دیا۔ عوامی تحقیق کے نتائج میں سے، پری پرنٹ کی شکل 1 میں، آلہ کو صرف 'ڈیوائس' کہا جاتا ہے، اور اسی 2021 کے جریدے کے مضمون میں، ڈارک آئس کے ہارڈ ویئر کی تصویر کو یکسر حذف کر دیا گیا ہے۔ ایسا لگتا ہے کہ گہرا برف 'ڈارک' ہو گئی ہے۔

چترا 5 لاک ہیڈ مارٹن کی 2019 کی پریس ریلیز تصویر ڈارک آئس ڈیوائس کا

پروٹوٹائپ میں ایک مصنوعی نائٹروجن ڈوپڈ ہیرے کی پیمائش کے لیے استعمال کیا گیا۔ مقناطیسی میدان کی مختلف حالتیں: طاقت اور سمت. نیشنل اوشینک اینڈ ایٹموسفیرک ایسوسی ایشن کی طرف سے فراہم کردہ زمین کے مقناطیسی میدان کے نقشوں کے ساتھ جب پروٹوٹائپ نے زمین کے مقام کی معلومات تیار کیں۔ یہ ٹیکنالوجی ممکنہ طور پر ایسے حالات کی مدد کرے گی جب GPS دستیاب نہ ہو یا دوسری صورت میں مشکل حالات میں۔ ڈارک آئس ٹیم کے پری پرنٹ اور شائع شدہ کاغذات کے مطابق، ہیرے کا کیمیائی بخارات کا ذخیرہ (CVD) مینوفیکچرنگ کے عمل کی تحقیقات کرنے میں کامیاب رہا شعاع ریزی اور annealing کوانٹم ٹیک معیار کے NV ہیروں کی تیاری میں معاونت کے طریقہ کار۔

آج، میں ترقی کی توجہ ہیرے میں NV تحقیق کا میدان ایسے ہیروں کی تیاری کو بہتر بنانا اور ریڈ آؤٹ فیڈیلیٹی ٹیکنالوجیز کو بہتر بنانا ہے۔

جیسا کہ جامع میں بیان کیا گیا ہے۔ آچارڈ ایٹ ال، 2020 کا جائزہ لیں: NV مراکز کے ساتھ CVD ڈائمنڈ سنگل کرسٹلکوانٹم گریڈ کے ہیرے بنانے کے لیے CVD کے اہم فوائد مختلف ڈوپنگ اور کمپوزیشن کی اسٹیک شدہ پرتوں کو متحرک اور انتہائی لچکدار طریقے سے انجینئر کرنے کی صلاحیت ہے جو پیمانہ بنا سکتے ہیں۔ جائزہ میگنیٹومیٹری سمیت درخواست پر منحصر بہترین عمل پیش کرتا ہے۔ ڈارک آئس ٹیم کے ذریعہ نافذ کردہ ∼ 10-15 پی پی ایم، کوانٹم ٹیک نظام کی ضرورت ہے منسلک ترقی کے حالات جو کرسٹل کے معیار کو محفوظ رکھتے ہوئے اعلی ڈوپنگ کی کارکردگی کی اجازت دیتے ہیں۔ ایڈمنڈز ایٹ ال، 2021 کے نتائج نے میگنیٹومیٹر کے لیے محدود حساسیت کے عوامل کی مزید نشاندہی کی۔  ہمادری چٹرجی کا 2021 پی ایچ ڈی کا مقالہ دوسرے ہیرے کے نمونوں کے ساتھ ایک عنصر-6/ڈارک آئس پروسیس ڈائمنڈ کا استعمال کیا اور مقناطیسی فیلڈ کا پتہ لگانے کی حساسیت کا مظاہرہ کیا۔ ~100 nT/Hz^1/2 نظام، IR جذب میگنیٹومیٹری کا استعمال کرتے ہوئے. اس نے نظام کی حساسیت کو دسیوں تک پہنچنے کے لیے بہتری کی فہرست فراہم کی۔ pT/Hz^1/2 دوسرے محققین کی حساسیت۔ اس کا مقالہ اور Achard et al Review کمیونٹی کی تحقیقی کوششوں کی تفصیل تلاش کرنے کے لیے اچھے ذرائع ہیں۔

اگرچہ ڈارک آئس کا غائب ہونا ایسے میگنیٹومیٹر کی تکنیکی قابل عمل ہونے کی خبروں سے متعلق ہو سکتا ہے، فکر نہ کریں۔ یہ نوٹ آپ کو یقین دلاتا ہے کہ ڈائمنڈ میگنیٹومیٹر میں NV آگے بڑھ رہا ہے۔

عمارہ گرپس، پی ایچ ڈی۔ ایک بین الضابطہ طبیعیات دان، سیاروں کا سائنسدان، سائنس کمیونیکیٹر اور معلم اور تمام کوانٹم ٹیکنالوجیز کا ماہر ہے۔