By Nho Amara đăng ngày 26 tháng 2022 năm XNUMX
Nếu công nghệ lượng tử không thể giúp cuộc sống con người khỏe mạnh hơn, giàu có hơn và thú vị hơn thì giá trị của nó là gì? Những trường hợp sử dụng công nghệ lượng tử, trong thế giới con người: Trí tuệ, Nền văn minhvà Du lịch không cần GPS, thăm dò từ trường với độ nhạy cao hơn và dễ sử dụng hơn trước.
Phạm vi của từ trường B mà chúng ta đang thăm dò ngày nay là 1pT — 1fT. Xem Hình 1. Từ trường của trái đất biên độ (10-4 T) là ~ lớn hơn 1000 lần hơn tiếng ồn môi trường (10-7TUYỆT VỜI-9 T), và lớn hơn ~100 triệu lần so với từ trường được tạo ra ở da đầu bởi dòng điện thần kinh trong ghi não từ (MEG)
Hình 1. Từ Công nghệ cảm biến từ trường có độ nhạy cao slide 11, trong số Hướng dẫn của David Pappas (NIST) tại Cuộc họp tháng 2008 APS XNUMX của Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ.
Đánh giá của Bennett và cộng sự năm 2021: Từ kế chính xác cho các ứng dụng hàng không vũ trụ trong Hình 2 có chú thích cho thấy lĩnh vực chúng tôi quan tâm. Trong hình chữ nhật màu đỏ, chúng ta thấy rằng các cảm biến đang chuyển sang: kích thước nhỏ hơn, độ phân giải chính xác hơn và yêu cầu năng lượng nhỏ hơn. Mối quan tâm đặc biệt đối với các trường hợp sử dụng của chúng tôi là bốn trường hợp sau:
- NV = chỗ trống nitơ trong kim cương (xem IQT: Tài sản và thâm hụt kim cương lượng tử);
- AVC = tế bào hơi nguyên tử: Một tế bào thủy tinh chứa hơi nguyên tử kiềm 400K, khi được chiếu sáng bằng tia laser, sẽ căn chỉnh các spin của nó. Nếu có từ trường, sự thay đổi độ phân cực hoặc biên độ trong ánh sáng truyền lại sẽ xuất hiện (phần 3.1 trong Bennett và cộng sự, 2021);
- NÔNG NÔ = Spin Exchange Relaxation-Free: giống như AVC, nhưng hơi đậm đặc hơn ở nhiệt độ cao hơn, dẫn đến độ nhạy cao hơn (phần 3.1 trong Đánh giá năm 2021 của Bennett và cộng sự); Và
MỰC ỐNG = thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn; công nghệ mạnh mẽ giữa những năm 1960
Hình 2. OM= cơ học quang học, NV = trung tâm NV trong kim cương, Tế bào hơi nguyên tử + SERF = công nghệ lượng tử nguyên tử bị bẫy, SQUID – SQUID (Thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn), từ Bennett và cộng sự, Đánh giá năm 2021: Từ kế chính xác cho các ứng dụng hàng không vũ trụ
Về OM = Quang cơ học: Đây là một chủ đề phong phú sẽ được viết riêng trong tương lai. Nếu bạn tò mò, hãy xem phần 3.2 trong Bài đánh giá của Bennett và cộng sự, năm 2021, thông tin chi tiết trong Li và cộng sự, 2021 Cảm biến quang học khoang.
Não bộ
Điện não đồ (MEG) là một kỹ thuật sinh lý thần kinh không xâm lấn, đo từ trường được tạo ra bởi hoạt động thần kinh của não. MEG là trực tiếp, với độ phân giải theo thời gian cao hơn: ~ms và độ phân giải không gian cao hơn: ~mm, hơn không trực tiếp các phép đo, chẳng hạn như fMRI, PET và SPECT.
Tiêu chuẩn vàng cho MEG hiện là SQUID, nhưng tiêu chuẩn đó bắt đầu thay đổi vào năm 2018 sang lượng tử tế bào hơi nguyên tử (đột quỵ) công nghệ; đặc biệt là để từ kế bơm quang học (OPM), với Boto và cộng sự, hệ thống MEG mới năm 2018. Trong khi cảm biến SQUID có độ nhạy femtotesla (fT), cảm biến SQUID có một số điểm tiêu cực: 1) yêu cầu làm mát bằng đông lạnh, 2) chuyển động cứng nhắc của đầu bệnh nhân bên trong đơn vị ~500 kg, 3) không linh hoạt với các kích cỡ đầu khác nhau. Đối với bệnh nhân nhi, MEG của cảm biến SQUID đặc biệt không phù hợp.
Boto và cộng sự, hệ thống nguyên mẫu MEG-OPM năm 2018 đã giải quyết những nhược điểm này bằng một chiếc mũ bảo hiểm tùy chỉnh ~1kg, trong đó gắn 13 cảm biến OPM. Mỗi cảm biến có kích thước 3x3x3 mm3, 87Thành phần chứa đầy hơi Rb và được làm nóng ở ~150C, với nhiệt độ thân mũ bảo hiểm. Mũ bảo hiểm là một 'máy quét đúc' được in 3D, được thiết kế cho đầu của bệnh nhân, sử dụng chức năng quét MRI giải phẫu. Từ trường được biểu thị bằng sự giảm truyền ánh sáng có thể phát hiện được bằng photodiode, sau chùm tia laze phân cực tròn có bước sóng 795 nm, phân cực spin các nguyên tử Rb của tế bào.
Feys và cộng sự, công việc tháng 2022 năm XNUMX: Từ kế được bơm quang học trên da đầu so với phương pháp ghi từ não đông lạnh để đánh giá chẩn đoán bệnh động kinh ở trẻ em trong độ tuổi đi học cải thiện những điều trên với 32 cảm biến, được thử nghiệm với bệnh nhân nhi, những người mắc chứng động kinh cục bộ vô căn hoặc kháng trị. Mục tiêu nghiên cứu là phát hiện các đợt phóng điện động kinh xen kẽ (IED) và so sánh dữ liệu MEG-OPM với dữ liệu MEG-SQUID. Feys và cộng sự, công trình năm 2022 đã chứng minh rằng MEG-OPM được cung cấp độ nhạy tương tự: 1-3pT/Hz1/2, nhưng biên độ IED cao hơn và tín hiệu trên tạp âm cao hơn MEG-SQUID thông thường. Hình 3 chỉ ra thiết lập thử nghiệm.
Hình 3 Thiết lập thử nghiệm để đo MEG IED của OPM so với SQUID (4th hình) từ Feys và cộng sự, 2022.
Lĩnh vực nghiên cứu MEG đang hoạt động với các phương pháp tiếp cận mới triển khai các thiết kế OPM và SERF linh hoạt. Có thể thấy một cái nhìn thoáng qua về những gì sắp xảy ra trong các trường hợp sử dụng của sách trừu tượng của Hội thảo Tiếng ồn hôm nay Tín hiệu ngày mai 2019.
nền văn minh
Tiêu chuẩn vàng cho việc lập bản đồ từ trường khảo cổ là Ngoài ra Công nghệ SQUID. Một ví dụ điển hình đã khám phá ra phạm vi lịch sử của thủ đô: Karakorum thời Mông Cổ, là công bố của Bemmann và cộng sự, năm 2021, vào tháng XNUMX năm ngoái, dẫn đầu về Thiên nhiên. Tạp chí đăng một bức ảnh hiện trường có vẻ ngoài kỳ lạ, trong đó có một toa xe chở một bộ SQUID được làm lạnh bằng cryo được kéo bởi một chiếc xe địa hình. Tại sao Nature lại nêu bật một kết quả khoa học dựa trên SQUID, công nghệ giữa những năm 1960? Âm mưu đã chiến thắng trong ngày.
Tôi đề nghị những người lập bản đồ từ tính khảo cổ nên xem xét lợi ích của phương pháp địa vật lý trong việc sử dụng máy bay không người lái. Với tìm kiếm từ khóa: Lập bản đồ từ trường UAV, bạn sẽ khám phá ra từ kế gắn trên máy bay không người lái, dựa trên tế bào hơi nguyên tử gần đúng với độ nhạy từ thông của cảm biến SQUID: theo thứ tự vài pT/Hz1/2. Ngoài ra, các chế độ hoạt động mới cho pin hơi nguyên tử, chẳng hạn như Mz phân tán ánh sáng, đã được phát triển, điều đó sẽ làm tăng thêm độ nhạy của từ kế.
Hãy xem xét những lợi thế sau:
1) Thu thập và xử lý dữ liệu hiệu quả hơn, 2) chi phí thực địa thấp hơn, 3) tiếp cận các khu vực khó tiếp cận hoặc có rủi ro cao, 4) an toàn hơn cho người lao động, 5) Tích hợp UAV với các cảm biến địa vật lý khácvà 6) không cần máy điều hòa nhiệt độ. Một nhược điểm so với SQUID là vô hướng, Thay vì vectơ, đo từ thông. Tuy nhiên, cảm biến quán tính GPS và tốc độ lấy mẫu cao có thể cung cấp khả năng lập bản đồ. Đoạn video dài 21 phút này của Hình học, từ đó tôi đã lấy khung cho Hình 4, chứng minh một hệ thống như vậy trong lĩnh vực này.
Hình 4 Lấy khung hình từ video Hình học, trong đó chứng minh Lập bản đồ từ trường UAV
Du lịch không có GPS
Ở đâu Viên đá đen? Chúng ta bắt đầu phần này với một điều bí ẩn. Lockheed Martin đã đầu tư nguồn lực đáng kể vào việc phát triển NV trong từ kế kim cương nguyên mẫu, với một nhóm (do MJ DiMario lãnh đạo), một Hợp tác yếu tố-6 để sản xuất kim cương, Bằng sáng chế 21, Thử nghiệm Dark Ice và kế hoạch tương lai, báo chí đại chúng (dẫn đến hàng trăm bài báo quốc tế), Viên đá đen nhãn hiệu hàng hoá và Logo ứng dụng, nghiên cứu in sẵn (Edmonds và cộng sự, 2020) và công bố (Edmonds và cộng sự, 2021).
Tuy nhiên, Lockheed Martin chưa bao giờ thực hiện yêu cầu đăng ký logo của mình và công ty chưa bao giờ cung cấp “tuyên bố sử dụng” nhãn hiệu (SOU) cho USPTO. Do đó logo và nhãn hiệu đã bị loại bỏ (rất cám ơn D. Barnes đã hiểu tính pháp lý). Trưởng nhóm Dark Ice rời Lockheed Martin vào năm 2020 để thành lập công ty riêng. Trong số các kết quả nghiên cứu công khai, trong Hình 1 của bản in trước, thiết bị chỉ được gọi là 'Thiết bị' và trong bài báo tạp chí tương ứng năm 2021, ảnh phần cứng của Dark Ice đã bị xóa hoàn toàn. Dark Ice dường như đã chuyển sang trạng thái 'Tối'.
Hình 5 của Lockheed Martin ảnh thông cáo báo chí năm 2019 của thiết bị Dark Ice
Nguyên mẫu sử dụng một viên kim cương tổng hợp pha tạp nitơ để đo biến đổi từ trường: cường độ và hướng. Khi phủ các bản đồ từ trường Trái đất do Hiệp hội Khí quyển và Đại dương Quốc gia cung cấp, nguyên mẫu đã tạo ra thông tin vị trí Trái đất. Công nghệ này có khả năng hỗ trợ các tình huống khi không có GPS hoặc trong các điều kiện khó khăn khác. Theo bản in trước và các bài báo đã xuất bản của nhóm Dark Ice, viên kim cương lắng đọng hơi hóa học (CVD) quá trình sản xuất đã thành công để thăm dò chiếu xạ và ủ thủ tục hỗ trợ sản xuất kim cương NV chất lượng công nghệ lượng tử.
Ngày nay, sự phát triển tập trung vào NV bằng kim cương lĩnh vực nghiên cứu là cải thiện việc sản xuất những viên kim cương như vậy và cải thiện công nghệ đọc độ trung thực.
Như được mô tả trong phần toàn diện Achard và cộng sự, 2020 Đánh giá: Tinh thể đơn kim cương CVD có tâm NV, ưu điểm chính của CVD để chế tạo kim cương cấp lượng tử là khả năng chế tạo các lớp pha tạp và thành phần khác nhau xếp chồng lên nhau theo cách năng động và rất linh hoạt có thể mở rộng quy mô. Đánh giá này trình bày các quy trình tốt nhất tùy thuộc vào ứng dụng, bao gồm cả đo từ. Chế độ công nghệ lượng tử ∼10-15 ppm do nhóm Dark Ice triển khai, yêu cầu thích nghi điều kiện tăng trưởng cho phép hiệu quả pha tạp cao, đồng thời duy trì chất lượng tinh thể. Kết quả của Edmonds và cộng sự năm 2021 đã xác định thêm các yếu tố giới hạn độ nhạy đối với từ kế. Luận án tiến sĩ năm 2021 của Himadri Chatterjee đã sử dụng một viên kim cương được xử lý bằng Element-6/Dark Ice cùng với các mẫu kim cương khác và chứng minh độ nhạy phát hiện từ trường trong ~100 nT/Hz1/2 chế độ, sử dụng từ kế hấp thụ IR. Ông đã cung cấp một danh sách các cải tiến về độ nhạy của hệ thống để đạt tới hàng chục pT/Hz1/2 nhạy cảm của các nhà nghiên cứu khác. Luận án của ông và Tạp chí Achard và cộng sự là những nguồn tốt để tìm ra những mô tả về nỗ lực nghiên cứu của cộng đồng.
Mặc dù sự biến mất của Dark Ice có thể liên quan đến tin tức về khả năng tồn tại về mặt kỹ thuật của những từ kế như vậy, nhưng đừng lo lắng. Ghi chú này sẽ trấn an bạn rằng NV trong quá trình từ kế kim cương đang tiến triển.
Amara Graps, Tiến sĩ. là một nhà vật lý liên ngành, nhà khoa học hành tinh, nhà truyền thông khoa học, nhà giáo dục và chuyên gia về tất cả các công nghệ lượng tử.
