SERF - SERF

Um magnetômetro livre de relaxamento de troca de spin ( SERF ) é um tipo de magnetômetro desenvolvido na Universidade de Princeton no início dos anos 2000. Os magnetômetros SERF medem os campos magnéticos usando lasers para detectar a interação entre os átomos de metal alcalino em um vapor e o campo magnético.

O nome da técnica vem do fato de que o relaxamento da troca de spin , um mecanismo que geralmente altera a orientação dos spins atômicos , é evitado nesses magnetômetros. Isso é feito usando uma densidade alta (10 14 cm- 3 ) de átomos de potássio e um campo magnético muito baixo. Nessas condições, os átomos trocam de spin rapidamente em comparação com sua frequência de precessão magnética, de modo que o spin médio interage com o campo e não é destruído pela decoerência.

Um magnetômetro SERF atinge uma sensibilidade de campo magnético muito alta monitorando um vapor de alta densidade de átomos de metal alcalino precessando em um campo magnético próximo de zero. A sensibilidade dos magnetômetros SERF melhora em relação aos magnetômetros atômicos tradicionais, eliminando a causa dominante da decoerência do spin atômico causada por colisões de troca de spin entre os átomos de metal alcalino. Os magnetômetros SERF estão entre os sensores de campo magnético mais sensíveis e, em alguns casos, excedem o desempenho dos detectores SQUID de tamanho equivalente. Uma pequena célula de vidro de 1 cm 3 de volume contendo vapor de potássio relatou sensibilidade de 1 fT / Hz e pode, teoricamente, tornar-se ainda mais sensível com volumes maiores. Eles são magnetômetros vetoriais capazes de medir todos os três componentes do campo magnético simultaneamente.

Relaxamento de troca de spin

As colisões de troca de spin preservam o momento angular total de um par de átomos em colisão, mas podem embaralhar o estado hiperfino dos átomos. Os átomos em diferentes estados hiperfinos não têm precessão coerente e, portanto, limitam o tempo de vida de coerência dos átomos. No entanto, a decoerência devido a colisões de troca de spin pode ser quase eliminada se as colisões de troca de spin ocorrerem muito mais rápido do que a frequência de precessão dos átomos. Nesse regime de troca rápida de spin, todos os átomos em um conjunto mudam rapidamente de estados hiperfinos, gastando a mesma quantidade de tempo em cada estado hiperfino e fazendo com que o conjunto de spin precesse mais lentamente, mas permaneça coerente. Este chamado regime SERF pode ser alcançado operando com densidade de metal alcalino suficientemente alta (em temperatura mais alta) e em campo magnético suficientemente baixo.

Átomos de metal alcalino com estado hiperfino indicado por precessão de cor na presença de um campo magnético experimentam uma colisão de troca de spin que preserva o momento angular total, mas muda o estado hiperfino, fazendo com que os átomos precessem em direções opostas e descohere.
Os átomos de metal alcalino no regime livre de relaxamento de troca de spin (SERF) com estado hiperfino indicado por precessão de cor na presença de um campo magnético experimentam duas colisões de troca de spin em rápida sucessão que preserva o momento angular total, mas altera o estado hiperfino, causando os átomos precessam em direções opostas apenas ligeiramente antes de uma segunda colisão de troca de spin retornar os átomos ao estado hiperfino original.

A taxa de relaxamento de troca de spin para átomos com baixa polarização experimentando troca de spin lenta pode ser expressa da seguinte forma:

onde é o tempo entre as colisões de troca de spin, é o spin nuclear, é a frequência de ressonância magnética, é a razão giromagnética para um elétron.

No limite de troca de spin rápida e campo magnético pequeno, a taxa de relaxamento de troca de spin desaparece para campo magnético suficientemente pequeno:

onde é a constante de "desaceleração" para contabilizar o compartilhamento do momento angular entre o elétron e os spins nucleares:

onde está a polarização média dos átomos. Os átomos que sofrem rápida troca de spin precessam mais lentamente quando não estão totalmente polarizados porque passam uma fração do tempo em diferentes estados hiperfinos precessando em diferentes frequências (ou na direção oposta).

Taxa de relaxamento indicada pela largura da linha de ressonância magnética para átomos em função do campo magnético. Estas linhas representam a operação com vapor de potássio a 160, 180 e 200 ° C (temperatura mais alta fornece taxas de relaxamento mais altas) usando uma célula de 2 cm de diâmetro com gás tampão He de 3 atm, gás de extinção de 60 Torr N 2 . O regime SERF é claramente aparente para campos magnéticos suficientemente baixos, onde as colisões de troca de spin ocorrem muito mais rápido do que a precessão de spin.

Sensibilidade

A sensibilidade dos magnetômetros atômicos é limitada pelo número de átomos e seu tempo de vida de coerência de spin de acordo com

onde é a razão giromagnética do átomo e é a polarização média do spin atômico total .

Na ausência de relaxamento de troca de spin, uma variedade de outros mecanismos de relaxamento contribuem para a decoerência do spin atômico:

onde é a taxa de relaxamento devido a colisões com as paredes celulares e são as taxas de destruição de spin para colisões entre os átomos de metal alcalino e colisões entre átomos alcalinos e quaisquer outros gases que possam estar presentes.

Em uma configuração ideal, uma densidade de 10 14 cm −3 átomos de potássio em uma célula de vapor de 1 cm 3 com ~ 3 atm de gás tampão de hélio pode atingir 10 aT Hz −1/2 (10 −17 T Hz −1/2 ) de sensibilidade com taxa de relaxamento ≈ 1 Hz.

Operação típica

Princípio de operação do magnetômetro atômico, representando átomos alcalinos polarizados por um feixe de bomba polarizado circularmente, precessando na presença de um campo magnético e sendo detectado por rotação óptica de um feixe de sonda polarizado linearmente.

O vapor de metal alcalino de densidade suficiente é obtido simplesmente aquecendo o metal alcalino sólido dentro da célula de vapor. Um magnetômetro atômico SERF típico pode aproveitar as vantagens dos lasers de diodo de baixo ruído para polarizar e monitorar a precessão do spin. A luz de bombeamento circularmente polarizada e sintonizada na linha de ressonância espectral polariza os átomos. Um feixe de sonda ortogonal detecta a precessão usando rotação óptica de luz polarizada linearmente. Em um magnetômetro SERF típico, os giros apenas inclinam por um ângulo muito pequeno porque a frequência de precessão é lenta em comparação com as taxas de relaxamento.

Vantagens e desvantagens

Os magnetômetros SERF competem com os magnetômetros SQUID para uso em uma variedade de aplicações. O magnetômetro SERF tem as seguintes vantagens:

  • Sensibilidade igual ou melhor por unidade de volume
  • Operação livre de criogênio
  • Os limites de medição totalmente óticos permitem a geração de imagens e elimina a interferência

Possíveis desvantagens:

  • Só pode operar perto de campo zero
  • A célula de vapor do sensor deve ser aquecida

Formulários

As aplicações que utilizam alta sensibilidade de magnetômetros SERF incluem:

História

Maquete de componentes SERF

O magnetômetro SERF foi desenvolvido por Michael V. Romalis na Universidade de Princeton no início dos anos 2000. A física subjacente que governa o relaxamento de supressão de troca de spin foi desenvolvida décadas antes por William Happer, mas a aplicação à medição do campo magnético não foi explorada naquela época. O nome "SERF" foi parcialmente motivado por sua relação com os detectores SQUID em uma metáfora marinha.

Referências

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