SERF

A без релаксации спинового обмена (SERF ) магнитометр - это тип магнитометр разработан в Принстонском университете в начале 2000-х годов. Магнитометры SERF измеряют магнитные поля с помощью лазеров для обнаружения взаимодействия между атомами щелочного металла в паре и магнитным полем.

Название метода происходит от того факта, что в этих магнитометрах не используется механизм, который обычно искажает ориентацию атомных спинов. Это достигается за счет использования высокой (10 см) плотности атомов калия и очень слабого магнитного поля. В этих условиях атомы обмениваются спином быстро по сравнению с частотой их магнитной прецессии, так что средний спин взаимодействует с полем и не разрушается декогеренцией.

Магнитометр SERF достигает очень высокой магнитной чувствительность к полю путем мониторинга паров высокой плотности атомов щелочных металлов, прецессирующих в почти нулевом магнитном поле. Чувствительность магнитометров SERF улучшена по сравнению с традиционными атомными магнитометрами за счет устранения основной причины декогеренции спина атомов, вызванной спин-обменными столкновениями между атомами щелочного металла. Магнитометры SERF являются одними из самых чувствительных датчиков магнитного поля и в некоторых случаях превосходят по характеристикам детекторы SQUID аналогичного размера. Маленькая стеклянная ячейка объемом 1 см, содержащая пары калия, имеет чувствительность 1 фТл / √Гц и теоретически может стать еще более чувствительной при больших объемах. Это векторные магнитометры, способные измерять все три компоненты магнитного поля одновременно.

• 1 Спин-обменная релаксация
• 2 Чувствительность
• 3 Типовая работа
• 4 Преимущества и недостатки
• 5 Приложения
• 6 История
• 7 Ссылки
• 8 Внешние ссылки

Спин-обменные столкновения сохраняют полный угловой момент сталкивающейся пары атомов, но могут скремблировать сверхтонкое состояние атомов. Атомы в разных сверхтонких состояниях не прецессируют когерентно и тем самым ограничивают время жизни когерентности атомов. Однако декогеренцию из-за спин-обменных столкновений можно практически исключить, если спин-обменные столкновения происходят намного быстрее, чем частота прецессии атомов. В этом режиме быстрого спинового обмена все атомы в ансамбле быстро изменяют сверхтонкие состояния, проводя одинаковое количество времени в каждом сверхтонком состоянии и заставляя спиновой ансамбль прецессировать медленнее, но оставаться когерентным. Так называемый режим SERF может быть достигнут при работе с достаточно высокой плотностью щелочного металла (при более высокой температуре) и в достаточно слабом магнитном поле.

Атомы щелочного металла со сверхтонким состоянием, обозначенным прецессией цвета в В присутствии магнитного поля происходит спин-обменное столкновение, которое сохраняет полный угловой момент, но изменяет сверхтонкое состояние, заставляя атомы прецессировать в противоположных направлениях и декогерировать.

Атомы щелочных металлов в спин-обменной релаксации без релаксации (SERF) В режиме со сверхтонким состоянием, обозначенным прецессией цвета в присутствии магнитного поля, происходят два быстро последовательных столкновения со спиновым обменом, которые сохраняют полный угловой момент, но изменяют сверхтонкое состояние, заставляя атомы прецессировать в противоположных направлениях лишь немного перед вторым вращением. обменное столкновение возвращает атомы в исходное сверхтонкое состояние.

Скорость спин-обменной релаксации $R\; se\; \{\backslash \; displaystyle\; R\_\; \{se\}\}$для атомов с h низкая поляризация, испытывающая медленный спиновой обмен, может быть выражена следующим образом:

$R\; se\; =\; 1\; 2\; \pi \; T\; se\; (2\; I\; (2\; I\; -\; 1)\; 3\; (2\; I\; +\; 1)\; 2)\; \{\backslash \; displaystyle\; R\_\; \{se\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{1\}\; \{2\; \backslash \; pi\; T\_\; \{se\}\}\}\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{2I\; (2I-1)\}\; \{3\; (2I\; +\; 1)\; ^\; \{2\}\}\}\; \backslash \; right)\}$

где $T\; se\; \{\backslash \; displaystyle\; T\_\; \{se\}\}$- это время между спин-обменными столкновениями, $I\; \{\backslash \; displaystyle\; I\}$- ядерный спин, $\nu \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; nu\}$- частота магнитного резонанса, $\gamma \; e\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; gamma\; \_\; \{e\}\}$- гиромагнитное отношение для электрона.

В пределе быстрого спинового обмена и малого магнитного поля скорость спин-обменной релаксации обращается в нуль для достаточно малого магнитного поля:

$R\; se\; =\; \gamma \; e\; 2\; B\; 2\; T\; se\; 2\; \pi \; 1\; 2\; (\; 1\; -\; (2\; I\; +\; 1)\; 2\; Q\; 2)\; \{\backslash \; displaystyle\; R\_\; \{se\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; gamma\; \_\; \{e\}\; ^\; \{2\}\; B\; ^\; \{2\}\; T\_\; \{se\}\}\; \{2\; \backslash \; pi\}\}\; \{\backslash \; frac\; \{1\}\; \{2\}\}\; \backslash \; left\; (1\; -\; \{\backslash \; frac\; \{(2I\; +\; 1)\; ^\; \{2\}\}\; \{Q\; ^\; \{2\}\}\}\; \backslash \; right)\}$

где $Q\; \{\; \backslash \; displaystyle\; Q\}$- константа "замедления" для учета распределения углового момента между электронным и ядерным спинами:

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

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

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

где $P\; \{\backslash \; displaystyle\; P\}$- средняя поляризация атомов. Атомы, претерпевающие быстрый спиновой 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).

Скорость релаксации $R\; t\; o\; t\; =\; Q\; \Delta \; \nu \; \{\backslash \; displaystyle\; R\_\; \{tot\}\; =\; Q\; \backslash \; Delta\; \backslash \; nu\}$, на что указывает ширина линии магнитного резонанса для атомов как функция магнитного поля. Эти линии представляют работу с парами калия при 160, 180 и 200 ° C (более высокая температура обеспечивает более высокие скорости релаксации) с использованием ячейки диаметром 2 см с буферным газом He 3 атм, гасящим газом 60 Торр N 2. Режим SERF явно проявляется для достаточно слабых магнитных полей, где спин-обменные столкновения происходят намного быстрее, чем прецессия спина.

Чувствительность $\delta \; B\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; delta\; B\}$атомных магнитометров ограничены числом атомов $N\; \{\backslash \; displaystyle\; N\}$и временем их спиновой когерентности $T\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; T\_\; \{2\}\}$согласно

$\delta \; B\; =\; 1\; \gamma \; 2\; R\; tot\; QF\; z\; N\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; delta\; B\; =\; \{\backslash \; frac\; \{1\}\; \{\backslash \; gamma\}\}\; \{\backslash \; sqrt\; \{\backslash \; frac\; \{2R\_\; \{tot\}\; Q\; \}\; \{F\_\; \{z\}\; N\}\}\}\}$

где $\gamma \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; gamma\}$- гиромагнитное отношение атома, а $F\; z\; \{\backslash \; displaystyle\; F\_\; \{z\}\}$- это средняя поляризация полного спина атома $F\; =\; I\; +\; S\; \{\backslash \; displaystyle\; F\; =\; I\; +\; S\}$.

В отсутствие спин-обменной релаксации, множество других механизмов релаксации способствуют декогеренции атомного спина:

$R\; tot\; =\; RD\; +\; R\; sd,\; self\; +\; R\; sd,\; H\; e\; +\; R\; sd,\; N\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; R\_\; \{tot\}\; =\; R\_\; \{D\; \}\; +\; R\_\; \{sd,\; self\}\; +\; R\_\; \{\; sd,\; \backslash \; mathrm\; \{He\}\}\; +\; R\_\; \{sd,\; \backslash \; mathrm\; \{N\_\; \{2\}\}\}\}$

, где $RD\; \{\backslash \; displaystyle\; R\_\; \{D\}\}$- требуемая скорость релаксации к столкновениям со стенками ячеек и $R\; sd,\; X\; \{\backslash \; displaystyle\; R\_\; \{sd,\; X\}\}$- это скорость разрушения спина для столкновений среди щелочного металла атомы и столкновения между атомами щелочных металлов и любыми другими газами, которые могут присутствовать.

В оптимальной конфигурации плотность атомов калия 10 см в паровой ячейке 1 см с буферным газом гелием ~ 3 атм может обеспечить чувствительность 10 ат Гц (10 ТГц) со скоростью релаксации $R\; tot\; \{\backslash \; displaystyle\; R\_\; \{tot\}\}$≈ 1 Гц.

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

Пары щелочного металла достаточной плотности получают простым нагреванием твердого щелочного металла внутри паровой камеры. Типичный атомный магнитометр SERF может использовать преимущества малошумящих диодных лазеров для поляризации и контроля прецессии спина. Свет накачки с круговой поляризацией, настроенный на спектральную резонансную линию $D\; 1\; \{\backslash \; displaystyle\; D\_\; \{1\}\}$, поляризует атомы. Ортогональный пробный луч обнаруживает прецессию, используя оптическое вращение линейно поляризованного света. В типичном магнитометре SERF спины просто наклоняются на очень маленький угол, потому что частота прецессии мала по сравнению со скоростями релаксации.

Магнитометры SERF конкурируют с магнитометрами SQUID для использования в различных приложениях. Магнитометр SERF имеет следующие преимущества:

• Равная или лучшая чувствительность на единицу объема
• Работа без криогена
• Полностью оптические пределы измерения позволяют получать изображения и устраняют помехи

Возможные недостатки:

• Может работать только в поле, близком к нулю
• Паровая ячейка сенсора должна быть нагрета

Области применения, в которых используется высокая чувствительность магнитометров SERF, потенциально включают:

• Высокопроизводительные магнитоэнцефалографическая визуализация
• Измерение намагниченности образцов, особенно образцов горных пород

Макет компонентов SERF.

Магнитометр SERF был разработан в Принстонском университете в начале 2000-х. Физика, лежащая в основе подавления спин-обменной релаксации, была разработана десятилетиями ранее Уильямом Хаппером, но приложение к измерению магнитного поля в то время не исследовалось. Название «SERF» было частично мотивировано его отношением к детекторам SQUID в морской метафоре.

1. ^Оллред Дж. К., Лайман Р. Н., Корнак Т. В., Ромалис М. В. (2002). «Высокочувствительный атомный магнитометр, не подверженный спин-обменной релаксации». Phys Rev Lett. 89 (13): 130801. Bibcode : 2002PhRvL..89m0801A. doi : 10.1103 / PhysRevLett.89.130801. PMID 12225013.
2. ^ Allred, J.C.; Lyman, R. N.; Kornack, T. W.; Ромалис, М. В. (2002). «Высокочувствительный атомный магнитометр, не подверженный спин-обменной релаксации». Phys Rev Lett. 89 (13): 130801. Bibcode : 2002PhRvL..89m0801A. doi : 10.1103 / PhysRevLett.89.130801. PMID 12225013.
3. ^Kominis, I.K.; Kornack, T. W.; Allred, J.C.; Ромалис, М. В. (10 апреля 2003 г.). «Субфемтотесла многоканальный атомный магнитометр». Природа. 422 (6932): 596–599. Bibcode : 2003Natur.422..596K. DOI : 10.1038 / nature01484. PMID 12686995. S2CID 4204465.
4. ^ Happer, W. Tam, A.C. (1977). «Влияние быстрого спинового обмена на спектр магнитного резонанса паров щелочных металлов». Physical Review A. 16 (5): 1877–1891. Bibcode : 1977PhRvA..16.1877H. doi : 10.1103 / PhysRevA.16.1877.
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 A. 71 (2): 023405. Bibcode : 2005PhRvA..71b3405S. doi : 10.1103 / PhysRevA.71.023405.
6. ^I. М. Савуков; С. Дж. Зельцер; М. В. Ромалис и К. Л. Зауэр (2005). «Настраиваемый атомный магнитометр для обнаружения радиочастотных магнитных полей». Письма с физическим обзором. 95 (6): 063004. Bibcode : 2005PhRvL..95f3004S. doi : 10.1103 / PhysRevLett.95.063004. PMID 16090946.
7. ^H. Ся; А. Бен-Амар Баранга; Д. Хоффман и М. В. Ромалис (2006). «Магнитоэнцефалография с атомным магнитометром». Письма по прикладной физике. 89 (21): 211104. Bibcode : 2006ApPhL..89u1104X. doi : 10.1063 / 1.2392722.

• Фотографии магнитометра SERF от Romalis Group в Принстонском университете.
• Магнитометр без релаксации спинового обмена (SERF)