A Compact Single-Beam Optically Pumped Magnetometer Based on Absorption Detection
यह शोध पत्र एक उच्च बफ़र गैस दबाव वाले माइक्रोफैब्रिकेटेड 87Rb वेपर सेल का उपयोग करते हुए एक कॉम्पैक्ट, सिंगल-बीम ऑप्टिकली पंप किए गए मैग्नेटोमीटर का प्रदर्शन करता है, जो एक छोटे आयतन में 11 fT/Hz^1/2 और एक पूर्णतः एकीकृत प्रोटोटाइप में 66 fT/Hz^1/2 की उच्च संवेदनशीलता प्राप्त करता है, जिससे स्केलेबल, उच्च-प्रदर्शन वाले चुंबकीय संवेदन एरे के लिए एक मार्ग स्थापित होता है।
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चुंबकत्व एक अदृश्य बल है जो हमारी दुनिया को आकार देता है, उत्तर की ओर संकेत करने वाली दिशा-सूचक सुई से लेकर मानव मस्तिष्क के भीतर सक्रिय होने वाले जटिल विद्युत संकेतों तक। दशकों से, वैज्ञानिक पृथ्वी के केंद्र से लेकर न्यूरॉन्स की गतिविधि तक सब कुछ समझने के लिए इन चुंबकीय क्षेत्रों को अत्यधिक सटीकता के साथ मापने की आवश्यकता महसूस कर रहे हैं। इस कार्य के लिए सबसे संवेदनशील उपकरण पारंपरिक रूप से सुपरकंडक्टिंग (अतिचालक) उपकरण रहे हैं जिन्हें परम शून्य के करीब तापमान पर रखना पड़ता है, जिसके लिए भारी, महंगे उपकरणों की आवश्यकता होती है जो आसानी से प्रयोगशाला से बाहर नहीं जा सकते। हाल के वर्षों में, परमाणुओं के बादलों, विशेष रूप से रुबिडियम गैस का उपयोग करके एक अलग दृष्टिकोण उभरा है, जो बहुत अधिक गर्म तापमान पर काम करते हुए अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील चुंबकीय सेंसर के रूप में कार्य कर सकता है। ये परमाणु मैग्नेटोमीटर परमाणुओं के स्पिन (घूर्णन) को संरेखित करने के लिए प्रकाश का उपयोग करते हैं और फिर यह देखते हैं कि एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र उन्हें कैसे डगमगाता है। शोधकर्ताओं के लिए चुनौती इन उपकरणों को इतने छोटे आकार में सिकोड़ने की रही है कि वे पोर्टेबल या पहनने योग्य बन सकें, बिना चुंबकीय बल की सबसे हल्की फुसफुसाहट को पकड़ने की क्षमता खोए।
ताइवान के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक कॉम्पैक्ट मैग्नेटोमीटर बनाकर इस लक्ष्य की ओर एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है जो एक छोटे बॉक्स में समा जाता है और उल्लेखनीय संवेदनशीलता प्राप्त करता है। उन्होंने एक बहुत ही छोटे कांच के सेल से शुरुआत की, जिसका माप केवल कुछ मिलीमीटर था, जिसे शुद्ध रुबिडियम गैस और नाइट्रोजन के उच्च दबाव से भरा गया था। यह नाइट्रोजन एक कुशन (तकिए) के रूप में कार्य करता है, जो रुबिडियम परमाणुओं की गति को धीमा कर देता है ताकि वे कांच की दीवारों से न टकराएं और अपनी चुंबकीय संरेखण को बहुत जल्दी न खो दें। शोधकर्ताओं ने इस सेल को विशेष धातु और फेराइट से बनी बहु-परतीय ढाल के भीतर रखा ताकि पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र और अन्य बाहरी हस्तक्षेपों को रोका जा सके, जिससे एक शांत वातावरण बन सके जहाँ सेंसर चुंबकीय बल की सबसे हल्की आवाज़ों को सुन सके। इसके बाद उन्होंने सेल को एक विशिष्ट तापमान तक गर्म किया ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि पर्याप्त रुबिडियम परमाणु लेजर की एक एकल बीम के साथ परस्पर क्रिया करने के लिए स्वतंत्र रूप से तैर रहे हैं। यह लेजर, जो एक विशिष्ट रंग के लिए ट्यून किया गया है, गैस से होकर गुजरता है, और शोधकर्ता यह मापते हैं कि कितना प्रकाश गुजर रहा है। जब एक चुंबकीय क्षेत्र मौजूद होता है, तो यह परमाणुओं द्वारा प्रकाश को अवशोषित करने के तरीके को बदल देता है, और इन सूक्ष्म परिवर्तनों को ट्रैक करके, उपकरण अविश्वसनीय सटीकता के साथ चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति की गणना कर सकता है।
टीम ने सावधानीपूर्वक परीक्षण किया कि सेंसर विभिन्न परिस्थितियों में कैसा व्यवहार करता है, जिसमें उन्होंने लेजर की चमक और परमाणुओं के प्राकृतिक अनुनाद (रेजोनेंस) के सापेक्ष उसके सटीक रंग को समायोजित किया। उन्होंने पाया कि यहाँ एक नाजुक संतुलन बनाना आवश्यक है: यदि प्रकाश बहुत मंद है, तो सिग्नल इतना कमजोर होता है कि उसे मापा न जा सके, लेकिन यदि यह बहुत तेज है, तो यह शोर पैदा करता है और माप को धुंधला कर देता है। एक आदर्श मध्य मार्ग खोजने के बाद, उन्होंने 11 फेम्टोटेस्ला प्रति वर्गमूल हर्ट्ज़ की संवेदनशीलता प्राप्त की। इस स्तर की सटीकता को समझने के लिए, यह उपकरण एक सामान्य रेफ्रिजरेटर चुंबक के क्षेत्र से ट्रिलियन गुना कमजोर चुंबकीय क्षेत्रों का पता लगा सकता है। यह प्रदर्शन एक बहुत ही छोटे सेंसिंग वॉल्यूम के साथ हासिल किया गया, जो यह सिद्ध करता है कि उच्च संवेदनशीलता के लिए अनिवार्य रूप से बड़े उपकरणों की आवश्यकता नहीं होती है। शोधकर्ताओं ने यह भी प्रदर्शित किया कि इस उच्च प्रदर्शन को एक लघु प्रोटोटाइप में पैक किए जाने के बाद भी बनाए रखा जा सकता है।
इस छोटे संस्करण को बनाने के लिए, टीम ने एक लचीले सर्किट बोर्ड का उपयोग किया जिसे एक घन (क्यूब) के रूप में मोड़ा जा सके, जिसमें हीटिंग तत्व, चुंबकीय कॉइल और वेपर सेल को एक ही कॉम्पैक्ट इकाई में एकीकृत किया गया। उन्होंने इस बोर्ड पर चुंबकीय कॉइल को व्यवस्थित करने के दो अलग-अलग तरीकों का परीक्षण किया ताकि यह देखा जा सके कि कौन सा डिजाइन सेंसर के भीतर सबसे अधिक समान चुंबकीय क्षेत्र बनाता है। एक डिजाइन, जिसने बायप्लानर लेआउट का उपयोग किया, श्रेष्ठ सिद्ध हुआ, जिसने वैकल्पिक वर्गाकार डिजाइन की तुलना में बहुत अधिक सुचारू चुंबकीय वातावरण बनाया। इस अनुकूलित सेटअप के साथ, लघु संस्करण ने 66 फेम्टोटेस्ला प्रति वर्गमूल हर्ट्ज़ की संवेदनशीलता प्राप्त की। हालांकि यह बड़े बेंचटॉप संस्करण की तुलना में थोड़ी कम संवेदनशील है, लेकिन यह इस आकार के उपकरण के लिए एक बड़ी छलांग है। प्रदर्शन की इस मामूली गिरावट का कारण छोटे फोल्डेड स्ट्रक्चर के भीतर चुंबकीय क्षेत्र की एकरूपता में छोटी खामियां थीं, एक ऐसी समस्या जिसे शोधकर्ताओं का मानना है कि आगे के डिजाइन सुधारों से हल किया जा सकता है।
यह कार्य प्रदर्शित करता है कि ऐसे अत्यधिक संवेदनशील चुंबकीय सेंसर बनाना संभव है जो पोर्टेबल एरेज़ (श्रंखलाओं) में एकीकृत होने के लिए पर्याप्त छोटे हैं। इतने सूक्ष्म चुंबकीय क्षेत्रों का पता लगाने की क्षमता एक कॉम्पैक्ट रूप में चिकित्सा इमेजिंग और मस्तिष्क की निगरानी में नए अनुप्रयोगों के द्वार खोलती है, जहाँ सेंसरों को भारी, क्रायोजेनिक उपकरणों की बाधाओं के बिना शरीर के करीब रखा जाना आवश्यक होता है। एक सिंगल-बीम डिजाइन और हाई-प्रेशर गैस सेल के प्रभावी रूप से काम करने की पुष्टि करके, शोधकर्ताओं ने ऐसे सेंसर नेटवर्क बनाने के लिए एक स्पष्ट मार्ग स्थापित किया है जो एक दिन अभूतपूर्व विवरण और सहजता के साथ मानव मस्तिष्क या हृदय की चुंबकीय गतिविधि का मानचित्रण कर सकेंगे।
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