СЕРФ

Магнитометр без спиновой обменной релаксации ( SERF ) разработанный — это тип магнитометра, в Принстонском университете в начале 2000-х годов. Магнитометры SERF измеряют магнитные поля с помощью лазеров для обнаружения взаимодействия между атомами щелочных металлов в паре и магнитным полем.

Название метода происходит от того факта, что спиновой обменной релаксации , механизма, который обычно нарушает ориентацию атомных спинов в этих магнитометрах избегают . Это делается с помощью высокого (10 ¹⁴ см ⁻³) плотность атомов калия и очень слабое магнитное поле. В этих условиях атомы обмениваются спином быстро по сравнению с частотой их магнитной прецессии, так что средний спин взаимодействует с полем и не разрушается в результате декогеренции. ^{[ 1 ]}

Магнитометр SERF обеспечивает очень высокую чувствительность к магнитному полю, отслеживая пары атомов щелочного металла высокой плотности, прецессирующие в почти нулевом магнитном поле. ^{[ 2 ]} Чувствительность магнитометров SERF улучшается по сравнению с традиционными атомными магнитометрами за счет устранения основной причины декогеренции атомного спина, вызванной спин-обменными столкновениями между атомами щелочных металлов. Магнитометры SERF являются одними из наиболее чувствительных датчиков магнитного поля и в некоторых случаях превосходят по производительности детекторы SQUID эквивалентного размера. Маленький 1 см. ³ Объемная стеклянная ячейка, содержащая пары калия, имеет чувствительность 1 фут/ √ Гц и теоретически может стать еще более чувствительной при больших объемах. ^{[ 3 ]} Это векторные магнитометры, способные одновременно измерять все три компонента магнитного поля. ^{[ нужна ссылка ]}

Спин-обменная релаксация

Спин-обменные столкновения сохраняют полный угловой момент сталкивающейся пары атомов, но могут исказить сверхтонкое состояние атомов. Атомы в различных сверхтонких состояниях не прецессируют когерентно и тем самым ограничивают время жизни когерентности атомов. Однако декогеренцию из-за спин-обменных столкновений можно практически устранить, если спин-обменные столкновения происходят намного быстрее, чем частота прецессии атомов. В этом режиме быстрого спинового обмена все атомы в ансамбле быстро меняют сверхтонкие состояния, проводя одинаковое количество времени в каждом сверхтонком состоянии и заставляя спиновый ансамбль прецессировать медленнее, но оставаться когерентным. Этого так называемого режима SERF можно достичь, работая с достаточно высокой плотностью щелочного металла (при более высокой температуре) и в достаточно слабом магнитном поле. ^{[ 4 ]}

Скорость спин-обменной релаксации $R_{se}$ для атомов с низкой поляризацией, испытывающих медленный спиновый обмен, можно выразить следующим образом: ^{[ 4 ]}

R_{se}={\frac {1}{2\pi T_{se}}}\left({\frac {2I(2I-1)}{3(2I+1)^{2}}}\right)

где $T_{se}$ - время между спин-обменными столкновениями, $I$ ядерный спин, $\nu$ - частота магнитного резонанса, $\gamma _{e}$ - гиромагнитное отношение электрона.

В пределе быстрого спинового обмена и малого магнитного поля скорость спинообменной релаксации исчезает при достаточно малом магнитном поле: ^{[ 2 ]}

R_{se}={\frac {\gamma _{e}^{2}B^{2}T_{se}}{2\pi }}{\frac {1}{2}}\left(1-{\frac {(2I+1)^{2}}{Q^{2}}}\right)

где $Q$ - константа «замедления», учитывающая разделение углового момента между электроном и ядерными спинами: ^{[ 5 ]}

Q(I=3/2)=4\left(2-{\frac {4}{3+P^{2}}}\right)^{-1}

Q(I=5/2)=6\left(3-{\frac {48(1+P^{2})}{19+26P^{2}+3P^{4}}}\right)^{-1}

Q(I=7/2)=8\left({\frac {4(1+7P^{2}+7P^{4}+P^{6})}{11+35P^{2}+17P^{4}+P^{6}}}\right)^{-1}

где $P$ – средняя поляризация атомов. Атомы, испытывающие быстрый спиновый обмен, прецессируют медленнее, когда они не полностью поляризованы, потому что они проводят часть времени в разных сверхтонких состояниях, прецессируя на разных частотах (или в противоположном направлении).

Чувствительность

Чувствительность $\delta B$ атомных магнитометров ограничены количеством атомов $N$ и время их жизни спиновой когерентности $T_{2}$ в соответствии с

\delta B={\frac {1}{\gamma }}{\sqrt {\frac {2R_{tot}Q}{F_{z}N}}}

где $\gamma$ - гиромагнитное отношение атома и $F_{z}$ - средняя поляризация полного атомного спина $F=I+S$ . ^{[ 6 ]}

В отсутствие спин-обменной релаксации декогеренции атомного спина способствует множество других механизмов релаксации: ^{[ 2 ]}

R_{tot}=R_{D}+R_{sd,self}+R_{sd,\mathrm {He} }+R_{sd,\mathrm {N_{2}} }

где $R_{D}$ – скорость релаксации за счет столкновений со стенками ячейки и $R_{sd,X}$ — это скорости разрушения спина при столкновениях атомов щелочных металлов и столкновений между атомами щелочных металлов и любыми другими газами, которые могут присутствовать.

В оптимальной конфигурации плотность 10 ¹⁴ см ⁻³ атомы калия в 1 см ³ паровая ячейка с буферным газом гелием ~3 атм может достигать 10 атл Гц ^−1/2 (10 ⁻¹⁷ Т Гц ^−1/2) чувствительность со скоростью релаксации $R_{tot}$ ≈ 1 Гц. ^{[ 2 ]}

Типичная операция

Принцип работы атомного магнитометра, изображающий атомы щелочных металлов, поляризованные циркулярно поляризованным лучом накачки, прецессирующие в присутствии магнитного поля и обнаруживаемые путем оптического вращения линейно поляризованного зондирующего луча.

Пары щелочного металла достаточной плотности получают простым нагреванием твердого щелочного металла внутри паровой ячейки. Типичный атомный магнитометр SERF может использовать малошумящие диодные лазеры для поляризации и мониторинга прецессии спина. Свет накачки с круговой поляризацией, настроенный на $D_{1}$ линия спектрального резонанса поляризует атомы. Ортогональный зондирующий луч обнаруживает прецессию, используя оптическое вращение линейно поляризованного света. В типичном магнитометре SERF спины просто наклоняются на очень небольшой угол, поскольку частота прецессии медленна по сравнению со скоростью релаксации.

Преимущества и недостатки

Магнитометры SERF конкурируют с магнитометрами SQUID за использование в различных приложениях. Магнитометр SERF имеет следующие преимущества:

Равная или лучшая чувствительность на единицу объема
Безкриогенная работа
Полностью оптические пределы измерений позволяют получать изображения и устраняют помехи

Потенциальные недостатки:

Может работать только при нулевом поле.
Паровая ячейка датчика должна быть нагрета.

Приложения

Приложения, использующие высокую чувствительность магнитометров SERF, потенциально включают:

Высокопроизводительная магнитоэнцефалографическая визуализация ^{[ 7 ]}
Измерение намагниченности образцов, особенно образцов горных пород

История

Магнитометр SERF был разработан Майклом В. Ромалисом в Принстонском университете в начале 2000-х годов. ^{[ 2 ]} Основная физика, управляющая подавлением спин-обменной релаксации, была разработана десятилетиями ранее Уильямом Хаппером. ^{[ 4 ]} но применение метода измерения магнитного поля в то время не изучалось. Название «SERF» было частично мотивировано его связью с детекторами SQUID в морской метафоре.

Ссылки

^ Оллред Дж.К., Лайман Р.Н., Корнак Т.В., Ромалис М.В. (2002). «Высокочувствительный атомный магнитометр, не подверженный спин-обменной релаксации» . Преподобный Летт по физике . 89 (13): 130801. Бибкод : 2002PhRvL..89m0801A . doi : 10.1103/PhysRevLett.89.130801 . ПМИД 12225013 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Оллред, Джей Си; Лайман, Р.Н.; Корнак, ТВ; Ромалис, М.В. (2002). «Высокочувствительный атомный магнитометр, не подверженный воздействию спин-обменной релаксации» . Преподобный Летт по физике . 89 (13): 130801. Бибкод : 2002PhRvL..89m0801A . doi : 10.1103/PhysRevLett.89.130801 . ПМИД 12225013 .
^ Коминис, ИК; Корнак, ТВ; Оллред, Джей Си; Ромалис, М.В. (10 апреля 2003 г.). «Многоканальный атомный магнитометр субфемтотесла». Природа . 422 (6932): 596–599. Бибкод : 2003Natur.422..596K . дои : 10.1038/nature01484 . ПМИД 12686995 . S2CID 4204465 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Хаппер, В. и Тэм, AC (1977). «Влияние быстрого спинового обмена на магнитно-резонансный спектр паров щелочей» . Физический обзор А. 16 (5): 1877–1891. Бибкод : 1977PhRvA..16.1877H . doi : 10.1103/PhysRevA.16.1877 .
^ Савуков И.М. и Ромалис М.В. (2005). «Эффекты спин-обменных столкновений в парах щелочных металлов высокой плотности в слабых магнитных полях» . Физический обзор А. 71 (2): 023405. Бибкод : 2005PhRvA..71b3405S . дои : 10.1103/PhysRevA.71.023405 .
^ И.М. Савуков; С. Дж. Зельцер; М. В. Ромалис и К. Л. Зауэр (2005). «Перестраиваемый атомный магнитометр для обнаружения радиочастотных магнитных полей» . Письма о физических отзывах . 95 (6): 063004. Бибкод : 2005PhRvL..95f3004S . doi : 10.1103/PhysRevLett.95.063004 . ПМИД 16090946 .
^ Х. Ся; А. Бен-Амар Баранга; Д. Хоффман и М. В. Ромалис (2006). «Магнитоэнцефалография атомным магнитометром» . Письма по прикладной физике . 89 (21): 211104. Бибкод : 2006ApPhL..89u1104X . дои : 10.1063/1.2392722 .

Внешние ссылки

Фотографии магнитометра SERF от группы Romalis в Принстонском университете.
Магнитометр без спиновой обменной релаксации (SERF)

[1] Оллред Дж.К., Лайман Р.Н., Корнак Т.В., Ромалис М.В. (2002). «Высокочувствительный атомный магнитометр, не подверженный спин-обменной релаксации» . Преподобный Летт по физике . 89 (13): 130801. Бибкод : 2002PhRvL..89m0801A . doi : 10.1103/PhysRevLett.89.130801 . ПМИД 12225013 .

[Allred02-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Оллред, Джей Си; Лайман, Р.Н.; Корнак, ТВ; Ромалис, М.В. (2002). «Высокочувствительный атомный магнитометр, не подверженный воздействию спин-обменной релаксации» . Преподобный Летт по физике . 89 (13): 130801. Бибкод : 2002PhRvL..89m0801A . doi : 10.1103/PhysRevLett.89.130801 . ПМИД 12225013 .

[Kominis03-3] Коминис, ИК; Корнак, ТВ; Оллред, Джей Си; Ромалис, М.В. (10 апреля 2003 г.). «Многоканальный атомный магнитометр субфемтотесла». Природа . 422 (6932): 596–599. Бибкод : 2003Natur.422..596K . дои : 10.1038/nature01484 . ПМИД 12686995 . S2CID 4204465 .

[Happer77-4] Jump up to: ^а ^б ^с Хаппер, В. и Тэм, AC (1977). «Влияние быстрого спинового обмена на магнитно-резонансный спектр паров щелочей» . Физический обзор А. 16 (5): 1877–1891. Бибкод : 1977PhRvA..16.1877H . doi : 10.1103/PhysRevA.16.1877 .

[Savukov05-5] Савуков И.М. и Ромалис М.В. (2005). «Эффекты спин-обменных столкновений в парах щелочных металлов высокой плотности в слабых магнитных полях» . Физический обзор А. 71 (2): 023405. Бибкод : 2005PhRvA..71b3405S . дои : 10.1103/PhysRevA.71.023405 .

[Savukov2005-6] И.М. Савуков; С. Дж. Зельцер; М. В. Ромалис и К. Л. Зауэр (2005). «Перестраиваемый атомный магнитометр для обнаружения радиочастотных магнитных полей» . Письма о физических отзывах . 95 (6): 063004. Бибкод : 2005PhRvL..95f3004S . doi : 10.1103/PhysRevLett.95.063004 . ПМИД 16090946 .

[Xia06-7] Х. Ся; А. Бен-Амар Баранга; Д. Хоффман и М. В. Ромалис (2006). «Магнитоэнцефалография атомным магнитометром» . Письма по прикладной физике . 89 (21): 211104. Бибкод : 2006ApPhL..89u1104X . дои : 10.1063/1.2392722 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]