By 阿马拉葡萄柚 26 年 2022 月 XNUMX 日发布
如果一项量子技术不能让我们人类的生活更健康、更富有、更愉快，那它的价值何在？ 这些人类领域的量子技术用例： 大脑，文明及 无 GPS 旅行，探测磁场比以前具有更高的灵敏度和易用性。
我们今天探测的 B 磁场范围是 1pT — 1fT。 见图 1。 地球磁场 振幅（10-4 T) 是 ~1000 倍大 比 环境噪音 （10-7-10-9 T)，并且比神经电流在头皮处产生的磁场大 100 亿倍 脑磁图 (MEG)
图1。 摘自高灵敏度磁场传感器技术幻灯片 11，的 David Pappas (NIST) 的教程 在 APS 2008 年 XNUMX 月的美国物理学会会议上。
Bennett 等人，2021 年回顾： 用于航空航天应用的精密磁力计 在带注释的图 2 中显示了我们感兴趣的区域。 在红色矩形中，我们看到传感器正朝着：更小的尺寸、更精确的分辨率和更小的功率要求发展。 我们的用例特别感兴趣的是以下四个：
- NV = 钻石中的氮空位（参见 IQT： 量子钻石赤字和资产);
- AVC的 = 原子蒸气池：装有 400K 碱原子蒸气的玻璃池，在激光照射下，将调整其自旋。 如果存在磁场，则重新传输的光会出现偏振或振幅变化（Bennett 等人，3.1 年第 2021 节）；
- 农奴 = 自旋交换无弛豫：与 AVC 类似，但在较高温度下蒸气密度更高，这会导致更高的灵敏度（Bennett 等人，3.1 年评论中的第 2021 节）； 和
鱿鱼 = 超导量子干涉装置； 强大的 1960 世纪 XNUMX 年代中期技术
图2。 OM= 光机械，NV = 金刚石中的 NV 中心，原子蒸汽电池 + SERF = 俘获原子量子技术，SQUID – SQUID（超导量子干涉装置），来自 Bennett 等人，2021 年回顾： 用于航空航天应用的精密磁力计
关于 OM = Optomechanical：这是一个丰富的话题，以后单独写。 如果您对 OM 感到好奇，请参阅 Bennett 等人的 3.2 年评论中的第 2021 节，以及 Li 等人的 2021 年的更多详细信息 腔体光机传感.
脑
脑磁图 （乙二醇） 是一种非侵入性神经生理学技术，可测量大脑神经元活动产生的磁场。 MEG是 直接，具有更高的时间分辨率：~ms，和更高的空间分辨率：~mm，比 间接 测量，例如 fMRI、PET 和 SPECT。
MEG 的黄金标准目前是 SQUID，但该标准在 2018 年开始转变为 原子气池量子 （AVC） 技术; 特别是， 光泵磁力计 (OPM), Boto 等人，2018 年的新 MEG 系统. 虽然 SQUID 传感器具有飞特斯拉 (fT) 灵敏度，但 SQUID 传感器也有一些缺点：1) 低温冷却要求，2) 在约 500 公斤的装置内刚性、患者头部运动，3) 对不同头部尺寸不灵活。 对于儿科患者，SQUID 传感器的 MEG 尤其不合适。
Boto 等人在 2018 年推出的 MEG-OPM 原型系统通过约重 1 公斤的定制头盔解决了这些问题，头盔上安装了 13 个 OPM 传感器。 每个传感器都是 3x3x3 mm3, 87在 ~150C 下充满 Rb 蒸汽并加热的组件，具有头盔体温。 头盔是 3D 打印的“扫描仪模型”，专为患者头部设计，使用解剖 MRI 扫描。 在 795 nm 圆偏振激光束使细胞的 Rb 原子自旋极化后，光透射率的光电二极管可检测下降表明了磁场。
Feys 等人，2022 年 XNUMX 月的工作: 头皮光泵磁力计与低温脑磁图对学龄儿童癫痫的诊断评估 通过对患有特发性或难治性局灶性癫痫的儿科患者进行测试，对 32 个传感器进行了上述改进。 研究目标是检测发作间期癫痫放电 (IED) 并将 MEG-OPM 数据与 MEG-SQUID 数据进行比较。 Feys 等人，2022 年的工作表明 提供MEG-OPM 相似灵敏度：1-3pT/Hz1/2, 但比传统的 MEG-SQUID 具有更高的 IED 振幅和更高的信噪比. 图 3 表示实验装置。
图3 MEG IED 测量 OPM 与 SQUID 的实验装置 (4th 图）来自 Feys 等人，2022 年.
MEG 研究领域积极采用实现灵活 OPM 和 SERF 设计的新方法。 在以下的用例中可以看到未来的一瞥 摘要书 的 今天的噪音明天的信号 2019 研讨会.
文明
考古磁场测绘的黄金标准是 还 鱿鱼技术。 一个引人注目的例子，发现了首都的历史范围：蒙古时代的喀喇昆仑，是 出版 Bemmann 等人，2021 年，去年 XNUMX 月，领先于 自然. 该杂志展示了一张看起来很奇特的野外照片，其中包括一辆货车，上面装有一组由越野车牵引的低温冷却 SQUID。 为什么《自然》杂志会突出基于 1960 年代中期技术 SQUID 的科学成果？ 阴谋赢得了胜利。
我建议考古磁图绘制者考虑使用无人机的地球物理学方法的好处。 通过关键字搜索： 无人机磁场测绘，你会发现无人机安装的磁力计，基于 原子蒸气室 近似于 SQUID 传感器的磁场通量灵敏度：大约几个 pT/Hz1/2. 此外，原子蒸汽电池的新操作模式，例如 光移色散Mz，已经开发出来，这将进一步提高磁力计的灵敏度。
考虑这些优势：
1) 更高效的数据收集和处理，2) 更低的现场成本，3) 进入难以进入或高风险区域，4) 提高工人安全性，5) 无人机与其他地球物理传感器的集成, 和 6) 不需要低温恒温器。 与 SQUID 相比的缺点是 纯量， 代替 向量， 磁通量测量。 然而，GPS 惯性传感器和高采样率可以提供映射功能。 这段来自 Geometrics 的 21 分钟视频，我从中抓取了图 4 的框架， 演示 这样的系统在现场。
图4 从几何学视频中抓取的帧， 演示 无人机磁场测绘
无 GPS 旅行
在哪里 黑冰？ 我们以一个谜开始这一节。 洛克希德马丁公司投入大量资源开发 金刚石磁力计中的 NV 原型，与一个团队（由 MJ DiMario 领导），一个 元素 6 伙伴关系 用于钻石制造， 21项专利, 暗冰测试和未来计划, 公共媒体 （这导致 数百篇国际新闻报道), 黑冰 商标 的网络 商标 应用，研究 预印本 （埃德蒙兹等人，2020 年）和 刊物 （埃德蒙兹等人，2021 年）。
然而，洛克希德马丁公司从未跟进其标志申请请求，该公司也从未向美国专利商标局提供商标“使用声明”(SOU)。 因此徽标和商标被删除（非常感谢 D. Barnes 了解合法性）。 Dark Ice 团队负责人于 2020 年离开洛克希德马丁公司，成立了自己的公司。 在公开的研究成果中，在预印本的图 1 中，该仪器仅被称为“设备”，而在相应的 2021 年期刊文章中，Dark Ice 的硬件照片被一并删除。 暗冰似乎已经变“暗”了。
图5 洛克希德马丁公司 2019年新闻稿照片 黑冰装置的
该原型使用合成氮掺杂金刚石来测量 磁场变化：强度和方向. 当与美国国家海洋和大气协会提供的地球磁场地图重叠时，原型会产生地球位置信息。 当 GPS 不可用或处于其他具有挑战性的条件下时，该技术可能会支持这种情况。 根据 Dark Ice 团队的预印本和发表的论文，这颗钻石的 化学气相沉积（CVD） 制造过程成功探测 辐照技术应用基地 和 退火 支持制造量子技术质量 NV 钻石的程序。
今天，发展重心在 钻石中的 NV 研究领域是改进此类钻石的制造并改进读出保真度技术。
如综合所述 阿查德等人，2020 年 回顾： 具有 NV 中心的 CVD 金刚石单晶，CVD 用于制造量子级金刚石的主要优势是能够以动态且非常灵活的方式设计不同掺杂和成分的堆叠层，并且可以缩放。 该评论介绍了取决于应用的最佳流程，包括磁力测量。 由 Dark Ice 团队实施的 ∼10-15 ppm 量子技术机制需要 适应 允许高掺杂效率，同时保持晶体质量的生长条件。 Edmonds 等人，2021 年的结果进一步确定了磁力计的限制灵敏度因素。 Himadri Chatterjee 的 2021 年博士论文 使用 Element-6/Dark Ice-process 钻石和其他钻石样品，并展示了磁场检测灵敏度 ~100 nT/赫兹1/2 制度，使用红外吸收磁力测定法。 他提供了一份改进清单，让系统的灵敏度达到几十 点/赫兹1/2 其他研究人员的敏感性。 他的论文和 Achard et al Review 是寻找社区研究工作描述的良好来源。
虽然 Dark Ice 的消失可能是有关此类磁力计技术可行性的新闻，但请不要担心。 这份说明应该让您放心，NV 在金刚石磁力计方面的进展仍在继续。
Amara Graps 博士 是跨学科的物理学家、行星科学家、科学传播者和教育家，也是所有量子技术的专家。
