Atommagnetometer fri for spin-udvekslingsudvidelse

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 25. december 2015; checks kræver 6 redigeringer .

SERF magnetometer ( Spin Exchange Free Magnetometer ) blev skabt i 2002 ved Princeton University, USA . Magnetometret måler ekstremt lave magnetiske felter, der ikke overstiger 0,2 mGs, magnetometerets følsomhed er (10 −15 T Hz −½ ). Magnetometeret anvender kaliumatomer med en densitet på 10 14 cm −3 placeret i en glascelle (en kolbe med et volumen på 0,3 cm³) fyldt med helium 4 He under et tryk på flere atm og 30 Torr nitrogen N 2 [1] . Følsomheden af SERF-magnetometeret er sammenlignelig med SQUID - magnetometerets. Enheden er en optisk enhed, der registrerer en ændring i absorptionen af laserstråling , når den passerer gennem en atomdamp.

Spin-udvekslingsinteraktion

se også Exchange-interaktion

Ulempen ved M z optiske magnetometre med optisk pumpning [2] er den store effekt af spin-udveksling afslapning på enhedens følsomhed. Spin-udvekslingsprocessen på grund af kollisionen af atomer fører til udvidelsen af den magnetiske resonans. V. Happer formåede at løse dette problem [3]

Atomer, der bevæger sig i en celle med en gennemsnitshastighed på ~ 10 4 cm sek −1 kan ændre spin-orienteringen eller fastholde den under et modstød. Den første mulighed vil opstå, når spins af de kolliderende atomer har modsatte orienteringer Fig.4. I dette tilfælde skaber de nærgående atomer i kort tid ( 10-12 sek.) et diatomisk molekyle i singlet-tilstand (↑↓), udveksler spins og, på grund af besiddelsen af kinetisk energi, "løber væk" igen . Hvis begge atomers spins er orienteret på samme måde, sker der et elastisk stød, men uden udveksling af spins (molekylet har et tripletpotentiale, fig. 2) [4] .

Den enkleste formel, der beskriver spin-udvekslingsprocessen ved kollisionen af atom A og B, ser sådan ud: A(↑) + B(↓) → A(↓) + B(↑),

Indflydelse af spin-udvekslingsinteraktionen på magnetometerets karakteristika

W. Happer viste, at når atomer kolliderer med hinanden, på grund af den elastiske, resonante udveksling af momenta ( spins ), "tabes" atomernes præcessionsfase, hvilket fører til ødelæggelsen af atomernes bølgefunktion, dvs. kollisionen af atomer, på trods af bevarelsen af momentum, er destruktiv karakter. Denne adfærd fører til en udvidelse af den magnetiske resonans (se det vedhæftede billede, fig. 4). Denne effekt er især mærkbar ved høje atomtætheder, når kollisioner forekommer hyppigt. Bemærk, at jo højere tæthed af atomer, jo højere er magnetometerets følsomhed, begrænset af projektionsstøj (se [5] ). For at undgå spin-udvekslingsrelaksation placeres alkalimetalatomer blandt buffergasmolekyler (helium, tryk ~atm). Når tætheden af gassen (temperatur, fig. 3) stiger, stiger antallet af kollisioner. Ved tætheder >10 −14 cm −3 bliver en anden kollision sandsynlig, hvorved atomets spin vender tilbage til sin oprindelige tilstand (fig. 5).

Hastigheden af spin-udvekslingsrelaksation af svagt polariserede atomer kan repræsenteres som [3] : $R_{se}$

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

hvor er tiden mellem to kollisioner, der fører til udveksling af spins, er kernens spin, er den magnetiske resonansfrekvens og er det gyromagnetiske forhold mellem elektronen. $T_{se}$ $jeg$ $\nu$ $\gamma _{e}$

I grænsen, når kollisionsfrekvensen er meget hurtigere end præcessionsfrekvensen, detekteres spin-udvekslingsinteraktionen ikke, og den magnetiske resonanslinje indsnævres: [1]

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

hvor er decelerationskonstanten, som tager højde for, hvor meget en elektrons spin under en kollision forstyrrer kernens spin: [6] $Q$

Skemaer, der forklarer udslettelse af spin-udvekslingsudvidelse i et SERF-magnetometer

Grænse for følsomhed

SERF-magnetometerets ultimative følsomhed er begrænset af spin-ødelæggende kollisioner , hvis tværsnit er tre størrelsesordener mindre end spin-udvekslingsprocessen.

Andre anvendelser af spin-udvekslingsinteraktion

Selve spin-udvekslingsinteraktionen kan bruges i medicin i kernemagnetiske tomografiinstallationer [7] . Laserstråling polariserer først rubidium-atomer, som overfører polarisering gennem spin-udvekslingskollisioner til molekyler af helium 3 He eller xenon 129 Xe [8] . Den polariserede heliumgas inhaleres derefter af personen, og derefter foretages en lungescanning.

Noter

↑ 12 J.C. _ Allred og RN Lyman, TW Kornack og MV Romalis, High_sensitivity Atomic Magnetometer Upåvirket af Spin-Exchange Relaxation, Phys.Rev.Let. 89 , 130801(2002)
↑ Afhandling af Anton Vershkovsky, Phystech opkaldt efter A. Ioffe, 2007 (utilgængeligt link) . Dato for adgang: 18. januar 2010. Arkiveret fra originalen 24. august 2009. (ubestemt)
↑ 1 2 . Happer, W. og Tam, AC Effekten af hurtig spin-udveksling på det magnetiske resonansspektrum af alkalidampe (engelsk) // Physical Review A : journal. - 1977. - Bd. 16 . - S. 1877-1891 . doi : 10.1103/Phys . Rev. A. 16. 1877 .
↑ Thad G. Walker og William Happer, Spin-exchange optical pumping of noble-gas nuclei, Rev.Mod.Phys. 69 , nr. 2, (1997)
↑ Dmitry Budker og Michael Romalis, Nature Physics, 3 , 227(2007)| - den seneste anmeldelse af magnetometre
↑ Savukov, IM, og Romalis, MV Effekter af spin-udvekslingskollisioner i en alkalimetaldamp med høj tæthed i lave magnetfelter. (engelsk) // Physical Review A : journal. - 2005. - Bd. 71 . — P. 023405 . - doi : 10.1103/PhysRevA.71.023405 .
↑ Walsworth Group . Dato for adgang: 15. januar 2010. Arkiveret fra originalen 22. november 2009. (ubestemt)
↑ MS Rosen, a) TE Chupp, KP Coulter og RC Welsh, Polarized 129Xe optisk pumpe-/spinudvekslings- og leveringssystem til magnetisk resonansspektroskopi og billeddannelsesundersøgelser, Rev. sci. Ins., 70 , #2, 1546(1999)