用鉆石代替 GPS 來(lái)導(dǎo)航？

看似奇幻莫測(cè)的金剛石量子技術(shù)，正在一步步實(shí)用化！

許多應(yīng)用，包括手機(jī)和汽車傳感器，都廣泛使用磁力測(cè)量技術(shù)。傳感器通常很大、很貴，而且需要低溫冷卻，這對(duì)可用性有不利影響。為了獲得最高的靈敏度，金剛石驅(qū)動(dòng)設(shè)備成為一種緊湊、便攜的選擇。

近日，Element Six與其合作者SBQuantum 、英國(guó)華威大學(xué)分別發(fā)布了基于量子金剛石的應(yīng)用拓展方面的合作進(jìn)展。

?? 用鉆石代替 GPS 來(lái)導(dǎo)航

如果能用鉆石代替 GPS 來(lái)導(dǎo)航，那會(huì)怎樣？

一家名為 SBQuantum（SBQ）的初創(chuàng)公司正和Element Six合作聯(lián)合研發(fā)一種基于金剛石基量子磁力計(jì)的導(dǎo)航技術(shù)，試圖在沒(méi)有全球定位系統(tǒng)的地方徹底改變導(dǎo)航系統(tǒng)。

據(jù)了解，Element Six 和 SBQ 一直保持合作，最早是在 2018 年英國(guó)年度量子展示活動(dòng)上見面的。Element Six 為 SBQ 提供了制造基于金剛石的量子磁力儀原型所需的首批金剛石樣品。目前該企業(yè)創(chuàng)建并銷售金剛石基量子磁力計(jì)，用于工業(yè)和學(xué)術(shù)用途，特別是用于自動(dòng)駕駛車輛。

目前的 GPS 系統(tǒng)通過(guò)連接衛(wèi)星來(lái)運(yùn)行。一般GPS 系統(tǒng)會(huì)配備非常精確的磁力儀，它依靠特定位置的地球磁場(chǎng)的方向、強(qiáng)度或相對(duì)變化來(lái)提供最精確的位置、高度和航向信息。然而，摩天大樓等巨型金屬結(jié)構(gòu)可能會(huì)增加干擾。同時(shí)，由于北極等極地地區(qū)具有獨(dú)特的磁場(chǎng)線輪廓，因此無(wú)法獨(dú)立發(fā)射這些系統(tǒng)，這經(jīng)常導(dǎo)致無(wú)價(jià)設(shè)備的丟失或損壞。另外，許多情況下，例如地下或水下，GPS 都無(wú)法使用。

為了更精確地定位，金剛石磁力計(jì)被用于導(dǎo)航系統(tǒng)研發(fā)，這將提高方向和方向信息的準(zhǔn)確性，并實(shí)現(xiàn)極端條件下的導(dǎo)航。

總所周知，在量子力學(xué)應(yīng)用中，金剛石是一種關(guān)鍵的超材料。氮空位(NV) 是金剛石中的一種特殊缺陷，具有可控的量子特性，使其在室溫下表現(xiàn)得像孤原子。這些類似原子的鉆石缺陷的量子特征可以在室溫下控制，從而無(wú)需昂貴而笨重的低溫冷卻設(shè)備。

由于NV缺陷的量子特性對(duì)磁場(chǎng)非常敏感，因此金剛石中的NV是高靈敏度磁力儀的理想材料，金剛石可用于評(píng)估磁場(chǎng)的方向，并提供更高的靈敏度。

由于這些特性的結(jié)合，金剛石成為支持 GPS 導(dǎo)航的極精確傳感器的絕佳選擇。

金剛石量子磁力儀，它使用具有量子特性的金剛石來(lái)測(cè)量地球磁場(chǎng)中微小、幾乎察覺(jué)不到的異常的方向和強(qiáng)度。將它與磁場(chǎng)地圖結(jié)合起來(lái)，你就可以精確定位你在地球上的位置，理論上可以精確到 50 米左右。

與目前市面上的商用設(shè)備相比，金剛石量子磁力儀具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，包括室溫操作、大帶寬、高靈敏度和矢量能力。這些優(yōu)勢(shì)使其適用于許多應(yīng)用，包括無(wú)人機(jī)、地下采礦車和自主水下航行器。

目前，SBQ 公司正在創(chuàng)建的整個(gè)服務(wù)解決方案將傳感器與客戶端特定的儀表板相結(jié)合，可用于導(dǎo)航和異常檢測(cè)。

?? CVD金剛石推進(jìn)醫(yī)學(xué)診斷

金剛石的卓越特性，使創(chuàng)建先進(jìn)的量子醫(yī)療解決方案成為可能；使早期心臟病診斷成為可能；也非常適合磁心動(dòng)圖 (MCG) 等醫(yī)療診斷程序……

英國(guó)華威大學(xué)的一組研究人員利用與Element Six NV金剛石材料，開發(fā)出世界上最靈敏的光纖耦合鉆石磁力儀。該設(shè)備測(cè)量物體或材料的磁場(chǎng)，并利用金剛石氮空位 (NV) 中心的量子技術(shù)對(duì)其進(jìn)行分析。

據(jù)了解，元素六與華威大學(xué)攜手合作已十年，在這一過(guò)程中逐步提高金剛石量子技術(shù)的準(zhǔn)確性和靈敏度。

其中，一項(xiàng)研究項(xiàng)目，經(jīng)過(guò)五年，磁力儀的靈敏度提高了 1000 萬(wàn)倍，從毫特斯拉閾值提高到了納特斯拉閾值（如下圖所示），這使得該技術(shù)適用于心臟病的初步診斷和鋼筋腐蝕的識(shí)別等用途。

目前，該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的工具可以檢測(cè)鋼鐵腐蝕情況，相信可能很快就能測(cè)量心跳脈搏。下一個(gè)任務(wù)是將這種創(chuàng)新方法轉(zhuǎn)化為可銷售的現(xiàn)實(shí)。

華威大學(xué)副教授 Gavin Morley 博士表示，未來(lái)希望縮小產(chǎn)品尺寸，使其更便于攜帶，體積小到可以裝進(jìn)背包。

英國(guó)量子計(jì)劃也已投入大量研究資金來(lái)提高該產(chǎn)品的性能，這對(duì)該項(xiàng)目的成功也至關(guān)重要。同時(shí)，參與這項(xiàng)研究的華威大學(xué)團(tuán)隊(duì)成員獲得了網(wǎng)絡(luò)量子信息技術(shù)中心 (NQIT)、皇家學(xué)會(huì)和鉆石科學(xué)與技術(shù)博士培訓(xùn)中心 (CDT) 的資助，該中心由 Element Six 提供支持。

針對(duì)下一步計(jì)劃，華威大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)還在考慮腦磁圖 (MEG)，這是一種檢測(cè)大腦信號(hào)的技術(shù)，未來(lái)可能會(huì)成為一種潛在的應(yīng)用。盡管金剛石腦磁圖更難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榇竽X的磁場(chǎng)比心臟的磁場(chǎng)要小，但它未來(lái)可能會(huì)被用來(lái)診斷精神分裂癥和早期阿爾茨海默病等疾病。