Intrinsic Vectorial Gradiometry via Quantum Control of a Spin-based Sensor

تعد المغناطيسية قوة غير مرئية تشكل عالمنا، من إبرة البوصلة التي توجه المسافر إلى التيارات الكهربائية الخفية التي تتدفق عبر الدماغ البشري. ولدراسة هذه القوى، يستخدم العلماء أجهزة قياس المغناطيسية (magnetometers)، وهي أجهزة بالغة الحساسية لدرجة تمكنها من رصد أخفت همسات المجالات المغناطيسية. ومع ذلك، تواجه هذه الأدوات مشكلة مستمرة: العالم مليء بالضجيج. فالأرض نفسها تولد مجالاً مغناطيسياً قوياً وثابتاً، كما أن الإلكترونيات القريبة أو المعادن المتحركة تخلق تداخلاً مستمراً. وعندما يحاول عالم قياس إشارة صغيرة ومحددة للغاية — مثل المجال المغناطيسي الناتج عن خلية عصبية واحدة — فإن الضجيج الخلفي الطاغي غالباً ما يغمرها ويحجبها. تقليدياً، حاول الباحثون حل هذه المشكلة ببناء دروع ضخمة ومكلفة لحجب الضجيج، أو باستخدام مستشعرين منفصلين لمقارنة قراءاتهما وطرح الضجيج المشترك. لكن هذه الأساليب تعاني من عيوب؛ فالدروع ثقيلة وغير مثالية، واستخدام مستشعرين منفصلين يؤدي إلى أخطاء جديدة لأن الجهازين لا يتطابقان تماماً أبداً.

وقد اقترح فريق من الباحثين الآن طريقة مختلفة للاستماع إلى الإشارات الأكثر هدوءاً في عالم صاخب. فبدلاً من الاعتماد على الدروع الثقيلة أو الأجهزة المتعددة، صمموا طريقة تستخدم مستشعراً كمياً واحداً وصغيراً لقياس الفرق في المجال المغناطيسي بين لحظتين زمنيتين مختلفتين. ومن خلال التحكم بدقة في المستشعر عبر تسلسل محدد من النبضات، يمكنهم جعل الجهاز يتجاهل ضجيج الخلفية الثابت تماماً، ويركز فقط على كيفية تغير المجال. وتسمح هذه التقنية، التي تم استعراضها من خلال عمليات محاكاة حاسوبية مفصلة، بقياس المجالات المغناطيسية بدقة كان من الصعب تحقيقها سابقاً دون عزل. وقد أظهر الباحثون أن هذا النهج يمكنه بنجاح اكتشاف البصمة المغناطيسية لجسم فيرومغناطيسي مخفي تحت الأرض، والأكثر إثارة للإعجاب، يمكنه رسم خرائط للمجالات المغناطيسية الناتجة عن النبضات الكهربائية لخلية عصبية، وكل ذلك دون الحاجة إلى غرفة معزولة.

يكمن جوهر هذه الطريقة الجديدة في كيفية تفاعل المستشعر مع المجال المغناطيسي. تخيل بلورة ماسية صغيرة تحتوي على عيب يُعرف بمركز "نيتروجين-فراغ" (nitrogen-vacancy center)، والذي يعمل كمغناطيس مجهري. في هذه التجربة، استخدم الباحثون مجموعة كبيرة من هذه المراكز لإنشاء مستشعر قوي. التحدي هو أن المجال المغناطيسي للأرض أقوى بآلاف المرات من الإشارات الضئيلة التي يريدون قياسها. ولحل هذه المشكلة، وضع الفريق استراتيجية توقيت؛ حيث قسموا عملية القياس إلى مراحل متميزة. أولاً، يتم تجهيز المستشعر ويُسمح له بالشعور بالمجال المغناطيسي للحظة قصيرة. بعد ذلك، يُوضع المستشعر في حالة "ذاكرة" خاصة، حيث يكون محمياً من البيئة المحيطة بينما يتغير المجال المغناطيسي الذي يقيسه قليلاً. وأخيراً، يتم إخراج المستشعر مرة أخرى ليشعر بالمجال. ومن خلال مقارنة حالة المستشعر بعد هاتين اللحظتين، يمكن للباحثين حساب الفرق بين قراءتي المجال. وبما أن المجال الخلفي ثابت، فإنه يؤثر على كلتا اللحظتين بالتساوي ويُلغي نفسه، تاركاً فقط التغير في الإشارة.

هذه العملية ليست مجرد قياس لفرق بسيط؛ بل هي شكل متطور من التحكم يسمح للمستشعر بأن يعمل كجهاز قياس التدرج (gradiometer)، وهو جهاز يقيس كيفية تغير المجال عبر المكان أو الزمان. وقد أظهر الباحثون أنه من خلال تكرار هذا التسلسل وضبط التوقيت، يمكن للمستشعر اكتشاف ليس فقط التغير الأول في المجال، بل أيضاً معدل تغير هذا التغير نفسه. وهذا يسمح باكتشاف أنماط معقدة في البيئة المغناطيسية. ولجعل المستشعر أكثر حساسية، قام الفريق بمحاكاة وضع الماس على طرف ذراع صغيرة مهتزة. ومع اهتزاز الذراع، يتحرك المستشعر ذهاباً وإياباً عبر المجال المغناطيسي. هذه الحركة تحول المجال المغناطيسي الثابت وغير المتغير إلى إشارة متذبذبة يمكن للمستشعر قراءتها بسهولة أكبر. هذه الحيلة، جنباً إلى جنب مع تسلسل التوقيت، تسمح للمستشعر باستخدام تقنيات متقدمة لتمديد قدرته على الاحتفاظ بالمعلومات، مما يجعله يستمع إلى الإشارة لفترات أطول بكثير مما يمكنه فعله بمفرده.

اختبر الباحثون هذه الفكرة في سيناريوهين مختلفين تماماً لإثبات تعدد استخداماتها. في السيناريو الأول، قاموا بمحاكاة اكتشاف شذوذ مغناطيسي، مثل جسم حديدي مدفون، بينما يتحرك المستشعر بجانبه بسرعة ثابتة. أظهرت المحاكاة أن المستشعر يمكنه تحديد شكل وموقع الجسم بوضوح من خلال قياس التغير الأول والثاني في المجال المغناطيسي، متجاهلاً تماماً المجال المغناطيسي الهائل والثابت للأرض. وفي السيناريو الثاني، انتقل التركال إلى البيولوجيا؛ حيث حققت المحاكاة قياس المجال المغناطيسي الناتج عن نبضة كهربائية تنتقل عبر خلية عصبية، والمعروفة باسم "جهد الفعل" (action potential). هذه الإشارات ضعيفة للغاية وعادة ما تتطلب دروعاً ثقيلة لاكتشافها. ومع ذلك، أظهرت المحاكاة أن البروتوكول الجديد يمكنه عزل الإشارة عن الضجيج، مما يسمح للمستشعر برسم خرائط لاتجاه وقوة المجال المغ مغناطيسي الذي تنتجه العصبية. وهذا أمر مهم لأنه يشير إلى أنه في المستقبل، قد يتمكن الأطباء من مراقبة نشاط الدماغ أو وظائف القلب بدقة عالية دون الحاجة إلى الدروع المغناطيسية الضخمة والمكلفة المطلوبة حالياً.

لا يزال العمل المقدم في هذه الورقة البحثية عبارة عن عرض نظري، يعتمد على عمليات محاكاة حاسوبية لإظهار كيف سيعمل النظام تحت الظروف المثالية. لقد قام الباحثون بنمذجة مستشعر مكون من مائة مليار لفة نشطة (active spins)، وهو رقم يمثل مجموعة كبيرة ولكن واقعية من هذه العيوب الكمية. وقد أخذوا في الاعتبار الضجيج العشوائي الذي يحدث عند قراءة حالة المستشعر، والمعروف باسم "ضجيج فوتونات التصوير" (photon shot noise)، ومع ذلك وجدوا أنه يمكن استعادة الإشارة بوضوح عالٍ. أكدت عمليات المحاكاة أن الطريقة تعمل لقياس المجال المغناطيسي في ثلاثة أبعاد، مما يوفر صورة كاملة لاتجاه المجال، وليس فقط قوته. ومن خلال استخدام لفة نووية داخل الماس كبنك للذاكرة، أظهر الفريق أن المستشعرات يمكنها الاحتفاظ بحالتها لفترات أطول، مما يحسن قدرتها على اكتشاف التغيرات البطيئة أو الضعيفة.

يمثل هذا النهج تحولاً في كيفية مقاربة العلماء لاستشعار المغناطيسية. فبدلاً من محاولة حجب العالم للعثور على إشارة، تعلم هذه الطة المستشعر كيف يتجاهل همهمة العالم المستمرة ويستمع فقط إلى التغيرات. إن القدرة على إجراء هذا النوع من القياس باستخدام مستشعر واحد، بدلاً من مجموعة معقدة من الأجهزة، تفتح الباب أمام أدوات أكثر قابلية للنقل والمتانة. ورغم أن النتائج الحالية تعتمد على المحاكاة، إلا أن الفيزياء الكامنة وراءها سليمة، والمعايير المحددة المستخدمة، مثل تردد الاهتزاز البالغ ميجاهرتز واحد وسرعة الحركة البالغة عشرين متراً في الثانية، مستندة إلى قدرات تجريبية قائمة. وإذا طُبقت في مختبر فيزيائي، فقد تغير هذه التقنية مجالات تتراوح من الجيولوجيا، حيث يمكن أن تساعد في رسم خرط الموارد تحت الأرض، إلى الطب، حيث يمكن أن تسمح بالمراقبة غير الجراحية للجهاز العصبي بتفاصيل غير مسبوقة. إن المسار نحو المستقبل يتضمن بناء الجهاز المادي ليتطابق مع المحاكاة، ولكن المخطط لنوع جديد من الاستماع الهادئ في عالم صاخب قد تم رسمه بالفعل.