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.
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 для атомов с h низкая поляризация, испытывающая медленный спиновой обмен, может быть выражена следующим образом:
где - это время между спин-обменными столкновениями, - ядерный спин, - частота магнитного резонанса, - 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:
где - константа "замедления" для учета распределения углового момента между электронным и ядерным спинами:
где - 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 , 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 атомных магнитометров ограничены числом атомов и временем их спиновой когерентности согласно
где - гиромагнитное отношение атома, а - это средняя поляризация полного спина атома .
В отсутствие спин-обменной релаксации, множество других механизмов релаксации способствуют декогеренции атомного спина:
, где - требуемая скорость релаксации к столкновениям со стенками ячеек и - 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 ≈ 1 Гц.
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 , 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:
Возможные недостатки:
Области применения, в которых используется высокая чувствительность магнитометров SERF, потенциально включают:
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.