India Develops First Quantum Diamond Microscope for Advanced 3D Magnetic Imaging

India Develops First Quantum Diamond Microscope for Advanced 3D Magnetic Imaging

Image : Microchip

India Develops First Quantum Diamond Microscope for Advanced 3D Magnetic Imaging

Scientists at the Indian Institute of Technology (IIT) Bombay have successfully developed India's first indigenous Quantum Diamond Microscope (QDM), a significant milestone in quantum sensing and a powerful tool for dynamic magnetic field imaging. 

The development, which has earned India its first patent in this specific domain, is poised to revolutionize several fields, including neurosciences, materials research, and the non-destructive evaluation of advanced semiconductor chips. 

The QDM technology utilizes quantum mechanics to provide detailed, high-resolution magnetic mapping that surpasses the capabilities of traditional diagnostic tools.

The QDM technology is based on 'nitrogen-vacancy (NV) centres' within a diamond. 

These NV centres are atomic-scale defects, specifically a nitrogen atom adjacent to a vacant lattice position, which exhibit robust quantum coherence even at ambient (room) temperature. 

This property makes them exceptionally sensitive to minute variations in magnetic, electric, and thermal fields. 

The device works by detecting the spin-dependent fluorescence of these NV centres using Optically Detected Magnetic Resonance (ODMR), allowing for the optical readout of local magnetic fields. 

By engineering a thin diamond layer with high NV density, the QDM achieves wide-field, nano-scale imaging of magnetic activity.

Led by Professor Kasturi Saha at the P-Quest Group at IIT Bombay, the development of the QDM offers a critical solution for several emerging technological challenges. 

Crucially, the technology is set to transform the non-destructive evaluation of semiconductor chips by enabling the mapping of their magnetic field across intricate three-dimensional (3-D) layers. 

As advanced electronics increasingly incorporate 3-D chip architectures in autonomous systems and cryogenic processors, conventional diagnostic tools struggle to visualize buried current paths and multilayer charge flow—a problem the QDM directly addresses with its high-resolution 3-D magnetic mapping capability.

Beyond chip diagnostics, the versatility of the QDM extends to numerous other applications where high-resolution, non-destructive magnetic mapping is required. 

In the medical field, it can be used for bio-imaging to detect magnetically labelled cells, biomarkers, or bio-mineralization processes. 

In materials science, it is applicable for probing thin films, quantum materials, and detecting strain in diamonds. 

Furthermore, its ability to detect magnetic signatures makes it a viable tool for identifying counterfeit microelectronics, providing a critical safeguard in the supply chain.

This breakthrough is strategically aligned with India's National Quantum Mission. Prof. Saha’s team plans to further integrate the QDM platform with artificial intelligence (AI) and machine learning-based computational imaging. 

This integration aims to pave the way for a more advanced quantum imaging platform that will support sophisticated applications such as advanced chip diagnostics, biological imaging, and geological magnetization studies, all rooted in precise, three-dimensional visualization of magnetic fields, thereby cementing India’s position in the global quantum sensing landscape.

भारत ने उन्नत 3D चुंबकीय इमेजिंग के लिए पहला क्वांटम डायमंड माइक्रोस्कोप विकसित किया

भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान (IIT) बॉम्बे के वैज्ञानिकों ने भारत का पहला स्वदेशी क्वांटम डायमंड माइक्रोस्कोप (QDM) सफलतापूर्वक विकसित किया है, जो क्वांटम सेंसिंग में एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर और गतिशील चुंबकीय क्षेत्र इमेजिंग के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है।

यह विकास, जिसने भारत को इस विशिष्ट क्षेत्र में अपना पहला पेटेंट दिलाया है, तंत्रिका विज्ञान, पदार्थ अनुसंधान और उन्नत अर्धचालक चिप्स के गैर-विनाशकारी मूल्यांकन सहित कई क्षेत्रों में क्रांति लाने के लिए तैयार है।

QDM तकनीक क्वांटम यांत्रिकी का उपयोग करके विस्तृत, उच्च-रिज़ॉल्यूशन चुंबकीय मानचित्रण प्रदान करती है जो पारंपरिक नैदानिक उपकरणों की क्षमताओं से बढ़कर है।

QDM तकनीक हीरे के भीतर 'नाइट्रोजन-रिक्ति (NV) केंद्रों' पर आधारित है।

ये NV केंद्र परमाणु-स्तरीय दोष हैं, विशेष रूप से एक रिक्त जाली स्थिति के निकट एक नाइट्रोजन परमाणु, जो परिवेश (कमरे) के तापमान पर भी मजबूत क्वांटम सुसंगतता प्रदर्शित करते हैं।

 यह गुण उन्हें चुंबकीय, विद्युत और तापीय क्षेत्रों में सूक्ष्म परिवर्तनों के प्रति असाधारण रूप से संवेदनशील बनाता है।

यह उपकरण ऑप्टिकली डिटेक्टेड मैग्नेटिक रेजोनेंस (ODMR) का उपयोग करके इन NV केंद्रों के स्पिन-निर्भर प्रतिदीप्ति का पता लगाकर काम करता है, जिससे स्थानीय चुंबकीय क्षेत्रों का ऑप्टिकल रीडआउट संभव होता है।

उच्च NV घनत्व वाली एक पतली हीरे की परत का निर्माण करके, QDM चुंबकीय गतिविधि की व्यापक-क्षेत्र, नैनो-स्केल इमेजिंग प्राप्त करता है।

आईआईटी बॉम्बे के पी-क्वेस्ट समूह में प्रोफेसर कस्तूरी साहा के नेतृत्व में, QDM का विकास कई उभरती तकनीकी चुनौतियों का एक महत्वपूर्ण समाधान प्रस्तुत करता है।

महत्वपूर्ण रूप से, यह तकनीक जटिल त्रि-आयामी (3-D) परतों में उनके चुंबकीय क्षेत्र के मानचित्रण को सक्षम करके अर्धचालक चिप्स के गैर-विनाशकारी मूल्यांकन को बदलने के लिए तैयार है।

जैसे-जैसे उन्नत इलेक्ट्रॉनिक्स स्वायत्त प्रणालियों और क्रायोजेनिक प्रोसेसर में 3-D चिप आर्किटेक्चर को तेजी से शामिल कर रहे हैं, पारंपरिक डायग्नोस्टिक उपकरण दबे हुए धारा पथों और बहुपरत आवेश प्रवाह को देखने में संघर्ष कर रहे हैं - एक समस्या जिसका QDM अपनी उच्च-रिज़ॉल्यूशन 3-D चुंबकीय मानचित्रण क्षमता के साथ सीधे समाधान करता है। 

चिप डायग्नोस्टिक्स के अलावा, QDM की बहुमुखी प्रतिभा कई अन्य अनुप्रयोगों तक फैली हुई है जहाँ उच्च-रिज़ॉल्यूशन, गैर-विनाशकारी चुंबकीय मानचित्रण की आवश्यकता होती है।

चिकित्सा क्षेत्र में, इसका उपयोग चुंबकीय रूप से लेबल की गई कोशिकाओं, बायोमार्करों या जैव-खनिजीकरण प्रक्रियाओं का पता लगाने के लिए बायो-इमेजिंग के लिए किया जा सकता है।

पदार्थ विज्ञान में, यह पतली फिल्मों, क्वांटम पदार्थों की जाँच और हीरों में तनाव का पता लगाने के लिए उपयुक्त है।

इसके अलावा, चुंबकीय संकेतों का पता लगाने की इसकी क्षमता इसे नकली माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स की पहचान करने के लिए एक व्यवहार्य उपकरण बनाती है, जो आपूर्ति श्रृंखला में एक महत्वपूर्ण सुरक्षा प्रदान करती है।

यह सफलता भारत के राष्ट्रीय क्वांटम मिशन के साथ रणनीतिक रूप से संरेखित है। प्रो. साहा की टीम QDM प्लेटफ़ॉर्म को कृत्रिम बुद्धिमत्ता (AI) और मशीन लर्निंग-आधारित कम्प्यूटेशनल इमेजिंग के साथ और अधिक एकीकृत करने की योजना बना रही है।

 इस एकीकरण का उद्देश्य एक अधिक उन्नत क्वांटम इमेजिंग प्लेटफॉर्म के लिए मार्ग प्रशस्त करना है, जो उन्नत चिप डायग्नोस्टिक्स, जैविक इमेजिंग और भूवैज्ञानिक चुंबकत्व अध्ययन जैसे परिष्कृत अनुप्रयोगों का समर्थन करेगा, जो सभी चुंबकीय क्षेत्रों के सटीक, त्रि-आयामी दृश्य पर आधारित होंगे, जिससे वैश्विक क्वांटम सेंसिंग परिदृश्य में भारत की स्थिति मजबूत होगी।

అధునాతన 3D మాగ్నెటిక్ ఇమేజింగ్ కోసం భారతదేశం మొదటి క్వాంటం డైమండ్ మైక్రోస్కోప్‌ను అభివృద్ధి చేసింది

ఇండియన్ ఇన్‌స్టిట్యూట్ ఆఫ్ టెక్నాలజీ (IIT) బాంబే శాస్త్రవేత్తలు భారతదేశపు మొట్టమొదటి స్వదేశీ క్వాంటం డైమండ్ మైక్రోస్కోప్ (QDM)ను విజయవంతంగా అభివృద్ధి చేశారు, ఇది క్వాంటం సెన్సింగ్‌లో ఒక ముఖ్యమైన మైలురాయి మరియు డైనమిక్ మాగ్నెటిక్ ఫీల్డ్ ఇమేజింగ్ కోసం ఒక శక్తివంతమైన సాధనం. 

ఈ నిర్దిష్ట డొమైన్‌లో భారతదేశానికి మొదటి పేటెంట్‌ను సంపాదించిపెట్టిన ఈ అభివృద్ధి, న్యూరోసైన్స్, మెటీరియల్ పరిశోధన మరియు అధునాతన సెమీకండక్టర్ చిప్‌ల నాన్-డిస్ట్రక్టివ్ మూల్యాంకనంతో సహా అనేక రంగాలలో విప్లవాత్మక మార్పులు తీసుకురావడానికి సిద్ధంగా ఉంది. 

QDM టెక్నాలజీ సాంప్రదాయ రోగనిర్ధారణ సాధనాల సామర్థ్యాలను అధిగమించే వివరణాత్మక, అధిక-రిజల్యూషన్ మాగ్నెటిక్ మ్యాపింగ్‌ను అందించడానికి క్వాంటం మెకానిక్‌లను ఉపయోగిస్తుంది.

QDM టెక్నాలజీ వజ్రంలోని 'నత్రజని-ఖాళీ (NV) కేంద్రాల'పై ఆధారపడి ఉంటుంది. 

ఈ NV కేంద్రాలు అణు-స్థాయి లోపాలు, ప్రత్యేకంగా ఖాళీగా ఉన్న లాటిస్ స్థానానికి ఆనుకొని ఉన్న నైట్రోజన్ అణువు, ఇవి పరిసర (గది) ఉష్ణోగ్రత వద్ద కూడా బలమైన క్వాంటం కోహెరెన్స్‌ను ప్రదర్శిస్తాయి. 

ఈ లక్షణం వాటిని అయస్కాంత, విద్యుత్ మరియు ఉష్ణ క్షేత్రాలలోని సూక్ష్మ వైవిధ్యాలకు అసాధారణంగా సున్నితంగా చేస్తుంది. 

 ఈ పరికరం ఆప్టికల్‌గా డిటెక్టెడ్ మాగ్నెటిక్ రెసొనెన్స్ (ODMR) ఉపయోగించి ఈ NV కేంద్రాల స్పిన్-ఆధారిత ఫ్లోరోసెన్స్‌ను గుర్తించడం ద్వారా పనిచేస్తుంది, ఇది స్థానిక అయస్కాంత క్షేత్రాల ఆప్టికల్ రీడౌట్‌ను అనుమతిస్తుంది. 

అధిక NV సాంద్రత కలిగిన సన్నని వజ్ర పొరను ఇంజనీరింగ్ చేయడం ద్వారా, QDM అయస్కాంత కార్యకలాపాల యొక్క విస్తృత-క్షేత్ర, నానో-స్కేల్ ఇమేజింగ్‌ను సాధిస్తుంది.

IIT బొంబాయిలోని P-క్వెస్ట్ గ్రూప్‌లో ప్రొఫెసర్ కస్తూరి సాహా నేతృత్వంలో, QDM అభివృద్ధి అనేక ఉద్భవిస్తున్న సాంకేతిక సవాళ్లకు కీలకమైన పరిష్కారాన్ని అందిస్తుంది. 

కీలకంగా, సంక్లిష్టమైన త్రిమితీయ (3-D) పొరలలో వాటి అయస్కాంత క్షేత్రాన్ని మ్యాపింగ్ చేయడాన్ని ప్రారంభించడం ద్వారా సెమీకండక్టర్ చిప్‌ల యొక్క నాన్-డిస్ట్రక్టివ్ మూల్యాంకనాన్ని మార్చడానికి ఈ సాంకేతికత సిద్ధంగా ఉంది. 

అధునాతన ఎలక్ట్రానిక్స్ స్వయంప్రతిపత్త వ్యవస్థలు మరియు క్రయోజెనిక్ ప్రాసెసర్‌లలో 3-D చిప్ ఆర్కిటెక్చర్‌లను ఎక్కువగా కలుపుతున్నందున, సాంప్రదాయ డయాగ్నస్టిక్ సాధనాలు ఖననం చేయబడిన ప్రస్తుత మార్గాలను మరియు బహుళస్థాయి ఛార్జ్ ప్రవాహాన్ని దృశ్యమానం చేయడానికి కష్టపడతాయి - QDM దాని అధిక-రిజల్యూషన్ 3-D మాగ్నెటిక్ మ్యాపింగ్ సామర్థ్యంతో నేరుగా పరిష్కరించే సమస్య.

చిప్ డయాగ్నస్టిక్స్‌కు మించి, QDM యొక్క బహుముఖ ప్రజ్ఞ అధిక-రిజల్యూషన్, నాన్-డిస్ట్రక్టివ్ మాగ్నెటిక్ మ్యాపింగ్ అవసరమయ్యే అనేక ఇతర అనువర్తనాలకు విస్తరించింది. 

వైద్య రంగంలో, అయస్కాంతపరంగా లేబుల్ చేయబడిన కణాలు, బయోమార్కర్లు లేదా బయో-ఖనిజీకరణ ప్రక్రియలను గుర్తించడానికి బయో-ఇమేజింగ్ కోసం దీనిని ఉపయోగించవచ్చు. 

మెటీరియల్ సైన్స్‌లో, సన్నని ఫిల్మ్‌లు, క్వాంటం పదార్థాలను పరిశీలించడానికి మరియు వజ్రాలలో ఒత్తిడిని గుర్తించడానికి ఇది వర్తిస్తుంది. 

ఇంకా, అయస్కాంత సంతకాలను గుర్తించే దీని సామర్థ్యం నకిలీ మైక్రోఎలక్ట్రానిక్స్‌ను గుర్తించడానికి దీనిని ఒక ఆచరణీయ సాధనంగా చేస్తుంది, సరఫరా గొలుసులో కీలకమైన రక్షణను అందిస్తుంది.

ఈ పురోగతి వ్యూహాత్మకంగా భారతదేశ జాతీయ క్వాంటం మిషన్‌తో అనుసంధానించబడి ఉంది. ప్రొఫెసర్ సాహా బృందం QDM ప్లాట్‌ఫామ్‌ను కృత్రిమ మేధస్సు (AI) మరియు యంత్ర అభ్యాస-ఆధారిత కంప్యూటేషనల్ ఇమేజింగ్‌తో మరింత సమగ్రపరచాలని యోచిస్తోంది. 

అధునాతన చిప్ డయాగ్నస్టిక్స్, బయోలాజికల్ ఇమేజింగ్ మరియు జియోలాజికల్ మాగ్నెటైజేషన్ స్టడీస్ వంటి అధునాతన అనువర్తనాలకు మద్దతు ఇచ్చే మరింత అధునాతన క్వాంటం ఇమేజింగ్ ప్లాట్‌ఫామ్‌కు మార్గం సుగమం చేయడం ఈ ఏకీకరణ లక్ష్యం, ఇవన్నీ అయస్కాంత క్షేత్రాల యొక్క ఖచ్చితమైన, త్రిమితీయ విజువలైజేషన్‌లో పాతుకుపోయాయి, తద్వారా ప్రపంచ క్వాంటం సెన్సింగ్ ల్యాండ్‌స్కేప్‌లో భారతదేశం యొక్క స్థానాన్ని స్థిరపరుస్తాయి.