量子钻石和地磁导航

　　最近的科学新发现表明，鲨鱼可以利用地表磁场为它们上万公里的迁徙做精准的导航（见笔者关于鲨鱼导航的文章）。那么人类是不是也可以利用地表磁场做导航呢？
　　去回答这个问题，我们先来问自己一个问题，人类利用GPS或者北斗做导航已经有很多年了，我们为什么还需要另一种导航系统？我们要知道无论是美国的GPS，欧洲的伽利略系统，俄国的格洛纳斯（GLONASS）或者中国的北斗系统，都是依赖太空中的卫星工作的。虽然这些系统给民众提供了极大便利，给工业农业都提供了高质量的定位，但这些系统最初的目的都是军事。
　　GPS，和北斗系统都是依赖卫星工作的
　　在太空竞争日益紧张的现在，卫星系统是非常脆弱的，很容易受到敌方干扰，在极端情况下，甚至摧毁。大自然带来的干扰也是不容忽视的。强烈的太阳黑子活动，有可能对卫星的通讯带来极大的影响。
　　同时，在卫星信号接收端（譬如，车载导航系统），系统也是很容易受到信号接收条件的限制。在某宝上买一个几百元的干扰器，就可以让导航系统或者监控系统完全失效。
　　另外，在水下，船只也接收不到卫星信号。军用的潜水艇航行和民用的水下勘探，水下救援，都无法利用卫星来导航。
　　所以，提供一个不同于GPS，北斗这类卫星导航的系统，无论从军事角度还是民用的角度都是必要的。而地表磁场恰恰给这种导航提供了可能性。
　　用地球磁场做导航，我们需要两样东西：1）高分辨率的地磁异变图，2）高敏感度，高精度的磁强仪。
　　我们先来了解一下，地表磁场是什么？地表磁场主要是由两个部分构成的，地核磁场和地壳磁场。
　　地核磁场是由地核岩浆对流而形成的磁场
　　地核磁场是由地核岩浆对流而形成的磁场。地核磁场比较对称，没有细致的地理特征。这个磁场定义了地球磁场的南北极。由于地核磁场的强度和磁力线方向没有分辨率比较高的地理特征，不能为导航提供足够多的信息。
　　地壳磁场是地壳里的岩石中磁物质的分布而产生的磁场。它具有很强的地域特征。这种特征可以像人类指纹一样唯一定义一个地理位置。而且地壳磁场是非常稳定的，不会随时间而变。
　　当把地核磁场和地壳磁场叠加在一起时，就形成了地表磁场异变图。有了这个图，人们可以根据地表上任何一点的磁场强度和方向来推算出位置。
　　地表磁场异变图
　　有了高分辨率的地磁异变图，我们还需要一个高敏感，高精度，使用又方便的磁强仪。基于量子钻石而研发的磁强仪正好满足了这些需求。
　　量子钻石磁强仪
　　大家都知道出身名贵的钻石其实是由普普通通的碳原子构成的晶体。当一个晶格上的两个碳原子被一个氮原子和一个空穴取代以后，就形成了一个残次。但人们发现这个残次具有很多难能可贵的量子特征，所以给了一个特殊的名字，NV色心，即所谓量子钻石。
　　为了方便理解，大家可以想像NV色心是一个周围有6个电子的分子系统。这个系统有一个量子特征叫做自旋（spin）。对于不熟悉自旋的朋友，自旋可以理解成一个旋转着的小磁铁。周围环境的不同（譬如电磁辐射或者磁场），会影响NV色心系统的自旋方向。
　　NV色心的另一个量子特征是光致发光：当它被波长为520nm的绿色激光照射时，系统会被激发到达一个高能量状态；当系统从激发态回到基态时，会发射出波长较长的红光。发光量是由系统的自旋状态决定的。这样科学家可以根据发光量，来测量周围的电磁辐射或者磁场强度。对于磁场来说，就是测量磁场的强度。
　　科学家们利用这个特征做出量子钻石磁强仪。这种磁强仪有很高的灵敏度和精确度。科学家曾经用量子钻石磁强仪成功测量出动物神经元的微弱磁场。更难能可贵的是，量子磁强仪可以在室温下工作而不需要超低温。
　　自从2015年，美国以国防产品闻名遐迩的洛克希德。马丁经过了5年的不懈努力，在地磁导航上做出了长足的进步。
　　洛克西柯。马丁研发的量子钻石磁强仪，可以在常温下工作，超敏感，超精确
　　从2020年开始，洛克希德。马丁已经走出实验室，开始在船支上，越野车上和飞机上做了海陆空全方位测试。得出的结果肯定了地磁导航是一个切实可行的方案。洛克希德。马丁正在进一步小型化这个设备。他们计划把设备做到10厘米大小，和现有的车载导航仪的尺寸相仿。他们的目标是三年内批量生产量子钻石导航仪。
　　必须指出，影响地磁导航的精度的很大一个因素是地磁异变图的精度。在理想状态，这个精度只能做到50米左右。这比卫星导航的导航精度还是有很大差距的。不过，对于空中飞行，海面航行这个精度还是足够的。可以预见，地磁导航在以后很长一段时间只是卫星导航的备胎，但是将是一个不可或缺的备胎。