SERF - SERF

Výměna spin relaxace bez ( SERF ) magnetometr je druh magnetometru vyvinut na Princetonské univerzitě v časném 2000s. Magnetometry SERF měří magnetická pole pomocí laserů k detekci interakce mezi atomy alkalických kovů v páře a magnetickým polem.

Název této techniky pochází ze skutečnosti, že se u těchto magnetometrů vyhýbá relaxaci výměny spinů , mechanismu, který obvykle zakóduje orientaci atomových otočení . Toho se dosahuje použitím vysoké (10 ¹⁴ cm ⁻³ ) hustoty atomů draslíku a velmi nízkého magnetického pole. Za těchto podmínek si atomy vyměňují rotaci rychle ve srovnání s jejich frekvencí magnetické precese, takže průměrná rotace interaguje s polem a není zničena dekoherencí.

Magnetometr SERF dosahuje velmi vysoké citlivosti magnetického pole monitorováním par s vysokou hustotou atomů alkalických kovů, předzpracovávajících se v téměř nulovém magnetickém poli. Citlivost magnetometrů SERF se oproti tradičním atomovým magnetometrům zlepšuje odstraněním dominantní příčiny dekoherence atomových spinů způsobené kolizemi výměny spinů mezi atomy alkalických kovů. Magnetometry SERF patří mezi nejcitlivější senzory magnetického pole a v některých případech převyšují výkon detektorů SQUID stejné velikosti. Malá skleněná buňka o objemu 1 cm ³ obsahující páry draslíku vykazuje citlivost 1 fT/ √ Hz a teoreticky se může stát ještě citlivější s většími objemy. Jsou to vektorové magnetometry schopné měřit všechny tři složky magnetického pole současně.

Relaxace s rotací

Kolize s výměnou spinů zachovávají celkový moment hybnosti srážejícího se páru atomů, ale mohou míchat hyperjemný stav atomů. Atomy v různých hyperjemných stavech nepracují koherentně, a tím omezují koherenční životnost atomů. Dekoherenci způsobenou kolizemi spin-exchange lze však téměř eliminovat, pokud ke kolizím spin-exchange dochází mnohem rychleji, než je precesní frekvence atomů. V tomto režimu rychlé spinové výměny všechny atomy v souboru rychle mění hyperjemné stavy, v každém hyperjemném stavu tráví stejné množství času a způsobují, že se spinový soubor zpracuje pomaleji, ale zůstává soudržný. Tento takzvaný režim SERF lze dosáhnout provozem s dostatečně vysokou hustotou alkalického kovu (při vyšší teplotě) a v dostatečně nízkém magnetickém poli.

Atomy alkalických kovů s hyperjemným stavem indikovaným předběžným zpracováním barev v přítomnosti magnetického pole zažívají kolizní výměnu, která zachovává celkový moment hybnosti, ale mění hyperjemný stav, což způsobuje, že se atomy precesují v opačných směrech a dekóru.

Atomy alkalických kovů v režimu spin-exchange relaxace bez relaxace (SERF) s hyperjemným stavem indikovaným barevným precesem v přítomnosti magnetického pole zažívají v rychlém sledu dvě srážky se spinovou výměnou, které zachovávají celkový moment hybnosti, ale mění stav hyperjemného atomy se zpracovávají v opačných směrech jen nepatrně, než druhá kolize výměny spinů vrátí atomy do původního hyperjemného stavu.

Rychlost relaxace spinové výměny pro atomy s nízkou polarizací zažívající pomalou spinovou výměnu lze vyjádřit následovně: ${\ displaystyle R_ {se}}$

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

kde je čas mezi srážkami výměny spinů, je jaderný spin, je frekvence magnetické rezonance, je gyromagnetický poměr pro elektron. ${\ displaystyle T_ {se}}$ ${\ displaystyle I}$ ${\ displaystyle \ nu}$ ${\ displaystyle \ gamma _ {e}}$

V mezích rychlé spinové výměny a malého magnetického pole odezní relaxační rychlost spinové výměny pro dostatečně malé magnetické pole:

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

kde je konstanta „zpomalení“, která odpovídá za sdílení momentu hybnosti mezi otáčením elektronů a jader: ${\ displaystyle Q}$

{\ displaystyle Q (I = 3/2) = 4 \ vlevo (2 - {\ frac {4} {3 + P ^ {2}}} \ vpravo) ^ {- 1}}

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

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

kde je průměrná polarizace atomů. Atomy, které trpí rychlou precesní výměnou, pomaleji, pokud nejsou plně polarizované, protože tráví zlomek času v různých hyperjemných stavech, které se předzpracovávají na různých frekvencích (nebo v opačném směru). ${\ displaystyle P}$

Relaxační rychlost indikovaná šířkou čáry magnetické rezonance pro atomy jako funkce magnetického pole. Tyto čáry představují provoz s parami draslíku při 160, 180 a 200 ° C (vyšší teplota poskytuje vyšší relaxační rychlosti) s použitím článku o průměru 2 cm s tlumicím plynem 3 atm He, 60 Torr N ₂ . Režim SERF je jasně patrný u dostatečně nízkých magnetických polí, kde ke kolizím spin-exchange dochází mnohem rychleji než precese spinu.

{\ displaystyle R_ {tot} = Q \ Delta \ nu}

Citlivost

Citlivost atomových magnetometrů je omezena počtem atomů a jejich životností koherence spinu podle ${\ Displaystyle \ delta B}$ ${\ displaystyle N}$ ${\ displaystyle T_ {2}}$

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

kde je gyromagnetický poměr atomu a je průměrná polarizace celkového atomového spinu . ${\ displaystyle \ gamma}$ ${\ displaystyle F_ {z}}$ ${\ displaystyle F = I+S}$

Při absenci relaxace pomocí spinové výměny přispívá k dekoherenci atomového spinu řada dalších relaxačních mechanismů:

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

kde je míra relaxace způsobená kolizemi s buněčnými stěnami a jaké jsou rychlosti destrukce spinu pro kolize mezi atomy alkalických kovů a kolize mezi atomy alkalických kovů a jinými plyny, které mohou být přítomny. ${\ displaystyle R_ {D}}$ ${\ displaystyle R_ {sd, X}}$

V optimální konfiguraci může hustota 10 ¹⁴ cm ⁻³ atomů draslíku v parní komoře 1 cm ³ s ~ 3 atmovým heliumovým pufrem dosáhnout citlivosti 10 aT Hz ^−1/2 (10 ⁻¹⁷ T Hz ^−1/2 ) s relaxační rychlostí ≈ 1 Hz. ${\ displaystyle R_ {tot}}$

Typická operace

Princip činnosti atomového magnetometru, zobrazující atomy alkalických kovů polarizované kruhově polarizovaným paprskem pumpy, předzpracování v přítomnosti magnetického pole a detekované optickou rotací lineárně polarizovaného paprsku sondy.

Páry alkalických kovů o dostatečné hustotě se získají jednoduchým zahřátím pevného alkalického kovu uvnitř parní komory. Typický atomový magnetometr SERF může využívat výhod nízkošumových diodových laserů k polarizaci a monitorování precese spinu. Kruhově polarizované čerpací světlo naladěné na čáru spektrální rezonance polarizuje atomy. Ortogonální paprsek sondy detekuje precesi pomocí optické rotace lineárně polarizovaného světla. V typickém magnetometru SERF se točení pouze překlopí o velmi malý úhel, protože precesní frekvence je pomalá ve srovnání s relaxačními rychlostmi. ${\ displaystyle D_ {1}}$

Výhody a nevýhody

Magnetometry SERF soutěží s magnetometry SQUID o použití v různých aplikacích. Magnetometr SERF má následující výhody:

Stejná nebo lepší citlivost na jednotku objemu
Provoz bez kryogenů
Celooptické limity měření umožňují zobrazování a eliminují rušení

Možné nevýhody:

Může pracovat pouze v blízkosti nulového pole
Parní komora senzoru musí být zahřátá

Aplikace

Mezi aplikace využívající vysokou citlivost magnetometrů SERF potenciálně patří:

Vysoce výkonné magnetoencefalografické zobrazování
Měření magnetizace vzorku, zejména horninových vzorků

Dějiny

Maketa součástí SERF

Magnetometr SERF byl vyvinut Michaelem V. Romalisem na Princetonské univerzitě počátkem roku 2000. Základní fyzika řídící supresi spin-exchange relaxace byla vyvinuta desítky let dříve Williamem Happerem, ale aplikace na měření magnetického pole nebyla v té době prozkoumána. Název „SERF“ byl částečně motivován jeho vztahem k detektorům SQUID v mořské metaforě.

Reference

^ Allred JC, Lyman RN, Kornack TW, Romalis MV (2002). „Vysoce citlivý atomový magnetometr neovlivněný relaxací spinové výměny“ . Phys Rev Lett . 89 (13): 130801. Bibcode : 2002PhRvL..89m0801A . doi : 10,1103/PhysRevLett.89.130801 . PMID 12225013 .
^ ^a ^b ^c ^d ^e Allred, JC; Lyman, RN; Kornack, TW; Romalis, MV (2002). „Atomový magnetometr s vysokou citlivostí neovlivněný relaxací výměny spinů“ . Phys Rev Lett . 89 (13): 130801. Bibcode : 2002PhRvL..89m0801A . doi : 10,1103/PhysRevLett.89.130801 . PMID 12225013 .
^ Kominis, IK; Kornack, TW; Allred, JC; Romalis, MV (10. dubna 2003). „Subfemtotesla vícekanálový atomový magnetometr“. Příroda . 422 (6932): 596–599. Bibcode : 2003Natur.422..596K . doi : 10,1038/příroda01484 . PMID 12686995 . S2CID 4204465 .
^ ^a ^b ^c Happer, W. & Tam, AC (1977). „Účinek rychlé výměny spinů na spektrum magnetické rezonance alkalických par“ . Fyzická Aktualizace . 16 (5): 1877–1891. Bibcode : 1977PhRvA..16.1877H . doi : 10.1103/PhysRevA.16.1877 .
^ Savukov, IM & Romalis, MV (2005). „Účinky kolizí s výměnou spinu v páře alkalických kovů s vysokou hustotou v nízkých magnetických polích“ . Fyzická Aktualizace . 71 (2): 023405. Bibcode : 2005PhRvA..71b3405S . doi : 10,1103/PhysRevA.71.023405 .
^ IM Savukov; SJ Seltzer; MV Romalis & KL Sauer (2005). „Laditelný atomový magnetometr pro detekci radiofrekvenčních magnetických polí“ . Fyzické revizní dopisy . 95 (6): 063004. Bibcode : 2005PhRvL..95f3004S . doi : 10,1103/PhysRevLett.95.063004 . PMID 16090946 .
^ H. Xia; A. Ben-Amar Baranga; D. Hoffman a MV Romalis (2006). „Magnetoencefalografie s atomovým magnetometrem“ . Písmena aplikované fyziky . 89 (21): 211104. Bibcode : 2006ApPhL..89u1104X . doi : 10,1063/1,2392722 .

externí odkazy

Fotografie magnetometru SERF od skupiny Romalis na Princetonské univerzitě.
Magnetometr Sper Exchange Relaxation Free (SERF)

[1] Allred JC, Lyman RN, Kornack TW, Romalis MV (2002). „Vysoce citlivý atomový magnetometr neovlivněný relaxací spinové výměny“ . Phys Rev Lett . 89 (13): 130801. Bibcode : 2002PhRvL..89m0801A . doi : 10,1103/PhysRevLett.89.130801 . PMID 12225013 .

[Allred02-2] Allred, JC; Lyman, RN; Kornack, TW; Romalis, MV (2002). „Atomový magnetometr s vysokou citlivostí neovlivněný relaxací výměny spinů“ . Phys Rev Lett . 89 (13): 130801. Bibcode : 2002PhRvL..89m0801A . doi : 10,1103/PhysRevLett.89.130801 . PMID 12225013 .

[Kominis03-3] Kominis, IK; Kornack, TW; Allred, JC; Romalis, MV (10. dubna 2003). „Subfemtotesla vícekanálový atomový magnetometr“. Příroda . 422 (6932): 596–599. Bibcode : 2003Natur.422..596K . doi : 10,1038/příroda01484 . PMID 12686995 . S2CID 4204465 .

[Happer77-4] Happer, W. & Tam, AC (1977). „Účinek rychlé výměny spinů na spektrum magnetické rezonance alkalických par“ . Fyzická Aktualizace . 16 (5): 1877–1891. Bibcode : 1977PhRvA..16.1877H . doi : 10.1103/PhysRevA.16.1877 .

[Savukov05-5] Savukov, IM & Romalis, MV (2005). „Účinky kolizí s výměnou spinu v páře alkalických kovů s vysokou hustotou v nízkých magnetických polích“ . Fyzická Aktualizace . 71 (2): 023405. Bibcode : 2005PhRvA..71b3405S . doi : 10,1103/PhysRevA.71.023405 .

[Savukov2005-6] IM Savukov; SJ Seltzer; MV Romalis & KL Sauer (2005). „Laditelný atomový magnetometr pro detekci radiofrekvenčních magnetických polí“ . Fyzické revizní dopisy . 95 (6): 063004. Bibcode : 2005PhRvL..95f3004S . doi : 10,1103/PhysRevLett.95.063004 . PMID 16090946 .

[Xia06-7] H. Xia; A. Ben-Amar Baranga; D. Hoffman a MV Romalis (2006). „Magnetoencefalografie s atomovým magnetometrem“ . Písmena aplikované fyziky . 89 (21): 211104. Bibcode : 2006ApPhL..89u1104X . doi : 10,1063/1,2392722 .

Languages

In other projects