SERF - SERF

En centrifugeringsfri magnetometer ( SERF ) magnetometer är en typ av magnetometer som utvecklades vid Princeton University i början av 2000-talet. SERF -magnetometrar mäter magnetfält med hjälp av lasrar för att detektera interaktionen mellan alkalimetallatomer i en ånga och magnetfältet.

Namnet på tekniken kommer från det faktum att avslappning av centrifugering , en mekanism som vanligtvis förvränger orienteringen av atomspinn , undviks i dessa magnetometrar. Detta görs genom att använda en hög (10 ¹⁴ cm ⁻³ ) densitet av kaliumatomer och ett mycket lågt magnetfält. Under dessa förhållanden snurrar atomernas utbyte snabbt jämfört med deras magnetiska precessionsfrekvens så att den genomsnittliga centrifugeringen interagerar med fältet och inte förstörs av dekoherens.

En SERF-magnetometer uppnår mycket hög magnetfältkänslighet genom att övervaka en ånga med hög densitet av alkalimetallatomer som föregår i ett magnetfält nära 0. Känsligheten hos SERF-magnetometrar förbättrar traditionella atommagnetometrar genom att eliminera den dominerande orsaken till atomspinndekoherens som orsakas av spinnbyteskollisioner mellan alkalimetallatomerna. SERF -magnetometrar är bland de mest känsliga magnetfältssensorerna och överskrider i vissa fall prestandan för SQUID -detektorer med motsvarande storlek. En liten 1 cm ³ volym glascell innehållande kaliumånga har rapporterat 1 fT/ √ Hz känslighet och kan teoretiskt bli ännu mer känslig med större volymer. De är vektormagnetometrar som kan mäta alla tre komponenterna i magnetfältet samtidigt.

Snurra-utbyte avkoppling

Spinnbyteskollisioner bevarar den totala vinkelmomentet hos ett kolliderande par av atomer men kan krossa atomernas hyperfina tillstånd. Atomer i olika hyperfina tillstånd föregår inte koherent och begränsar därmed atomernas sammanhållningstid. Emellertid kan dekoherens på grund av spinnbyteskollisioner nästan elimineras om spinnbyteskollisionerna sker mycket snabbare än atomernas precessionsfrekvens. I denna regim av snabbt snurrutbyte ändrar alla atomer i en ensemble snabbt hyperfina tillstånd, spenderar samma mängder tid i varje hyperfintillstånd och får spin-ensemblet att gå långsammare men förbli sammanhängande. Denna så kallade SERF-regim kan uppnås genom att arbeta med tillräckligt hög alkalimetalltäthet (vid högre temperatur) och i tillräckligt lågt magnetfält.

Alkalimetallatomer med hyperfin tillstånd som indikeras av färgsättning i närvaro av ett magnetfält upplever en centrifugeringskollision som bevarar total vinkelmoment men ändrar det hyperfina tillståndet, vilket får atomerna att gå i motsatta riktningar och avtar.

Alkalimetallatomer i spin-exchange-avslappningsfri (SERF) regim med hyperfin tillstånd som indikeras av färg som föregår i närvaro av ett magnetfält upplever två spinnbyteskollisioner i snabb följd som bevarar total vinkelmoment men ändrar hyperfin tillståndet, vilket orsakar atomerna att gå i motsatta riktningar endast något innan en andra spinnbyteskollision återför atomerna till det ursprungliga hyperfina tillståndet.

Relaxationsgraden för spin-exchange för atomer med låg polarisation som upplever långsam spin-exchange kan uttryckas enligt följande: ${\ displaystyle R_ {se}}$

${\ displaystyle R_ {se} = {\ frac {1} {2 \ pi T_ {se}}} \ vänster ({\ frac {2I (2I-1)} {3 (2I+1)^{2}} }\rätt)}$

var är tiden mellan spinnbyteskollisioner, är kärnspinnet, är magnetresonansfrekvensen, det gyromagnetiska förhållandet för en elektron. ${\ displaystyle T_ {se}}$${\ displaystyle I}$${\ displaystyle \ nu}$${\ displaystyle \ gamma _ {e}}$

I gränsen för snabbt centrifugering och litet magnetfält försvinner spin-exchange-relaxationshastigheten för tillräckligt litet magnetfält:

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

var är "sakta ner" konstant för att ta hänsyn till delning av vinkelmoment mellan elektronen och kärnkraftspinn: ${\ displaystyle Q}$

${\ displaystyle Q (I = 3/2) = 4 \ vänster (2-{\ frac {4} {3+P^{2}}} \ höger)^{-1}}$

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

${\ displaystyle Q (I = 7/2) = 8 \ vänster ({\ frac {4 (1+7P^{2}+7P^{4}+P^{6})} {11+35P^{2 }+17P^{4}+P^{6}}} \ höger)^{-1}}$

var är den genomsnittliga polarisationen av atomerna. Atomerna som lider snabba spin-utbytesprocesser långsammare när de inte är helt polariserade eftersom de tillbringar en bråkdel av tiden i olika hyperfina tillstånd som föregår vid olika frekvenser (eller i motsatt riktning). ${\ displaystyle P}$

Avslappningshastighet som indikeras av magnetresonanslinjebredden för atomer som en funktion av magnetfält. Dessa linjer representerar drift med kaliumånga vid 160, 180 och 200 ° C (högre temperatur ger högre avslappningshastigheter) med användning av en cell med en diameter på 2 cm med 3 atm He -buffertgas, 60 Torr N ₂ -släckgas. SERF-regimen är tydligt uppenbar för tillräckligt låga magnetfält där spin-exchange-kollisioner sker mycket snabbare än centrifugeringen.${\ displaystyle R_ {tot} = Q \ Delta \ nu}$

Känslighet

Känsligheten hos atommagnetometrar begränsas av antalet atomer och deras spinnkoherens livslängd enligt ${\ displaystyle \ delta B}$${\ displaystyle N}$${\ displaystyle T_ {2}}$

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

var är atomens gyromagnetiska förhållande och är den genomsnittliga polarisationen av totalt atomspinn . ${\ displaystyle \ gamma}$${\ displaystyle F_ {z}}$${\ displaystyle F = I+S}$

I avsaknad av avslappning av centrifugering bidrar en mängd andra avslappningsmekanismer till att atomspinnet är avkoherent:

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

var är avslappningshastigheten på grund av kollisioner med cellväggarna och är centrifugeringsförstöringshastigheterna för kollisioner mellan alkalimetallatomerna och kollisioner mellan alkalitomer och andra gaser som kan förekomma. ${\ displaystyle R_ {D}}$${\ displaystyle R_ {sd, X}}$

I en optimal konfiguration kan en densitet på 10 ¹⁴ cm ⁻³ kaliumatomer i en 1 cm ³ ångcell med ~ 3 atm heliumbuffertgas uppnå 10 aT Hz ^−1/2 (10 ⁻¹⁷ T Hz ^−1/2 ) känslighet med avslappningshastighet ≈ 1 Hz. ${\ displaystyle R_ {tot}}$

Typisk drift

Atomic magnetometer funktionsprincip, som visar alkalitomer polariserade av en cirkulärt polariserad pumpstråle, som föregår i närvaro av ett magnetfält och detekteras genom optisk rotation av en linjärt polariserad sondstråle.

Alkalimetallånga med tillräcklig densitet erhålls genom att helt enkelt värma fast alkalimetall inuti ångcellen. En typisk SERF -atommagnetometer kan dra nytta av lågbrusiga diodlasrar för att polarisera och övervaka snurrprecession. Cirkulärt polariserat pumpljus inställd på spektralresonanslinjen polariserar atomerna. En ortogonal sondstråle detekterar precessionen med hjälp av optisk rotation av linjärt polariserat ljus. I en typisk SERF -magnetometer tippar snurren bara med en mycket liten vinkel eftersom precessionsfrekvensen är långsam jämfört med avslappningshastigheterna. ${\ displaystyle D_ {1}}$

Fördelar och nackdelar

SERF -magnetometrar konkurrerar med SQUID -magnetometrar för användning i en mängd olika applikationer. SERF -magnetometern har följande fördelar:

• Lika eller bättre känslighet per volymenhet
• Kryogenfri drift
• Alla optiska mätgränser möjliggör avbildning och eliminerar störningar

Potentiella nackdelar:

• Kan bara fungera nära nollfältet
• Sensorångcell måste värmas

Ansökningar

Applikationer som använder högkänslighet för SERF -magnetometrar inkluderar eventuellt:

• Högpresterande magnetoencefalografisk avbildning
• Provmagnetiseringsmätning, särskilt bergprover

Historia

SERF -komponenter mockup

SERF-magnetometern utvecklades av Michael V. Romalis vid Princeton University i början av 2000-talet. Den bakomliggande fysiken som reglerar avstängningen av spinnbytesavslappning utvecklades decennier tidigare av William Happer men tillämpningen på magnetfältmätning undersöktes inte vid den tiden. Namnet "SERF" motiverades delvis av dess relation till SQUID -detektorer i en marin metafor.

Referenser

externa länkar

• Fotografier av en SERF -magnetometer från Romalis Group vid Princeton University.
• Spin Exchange Relaxation Free (SERF) magnetometer