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Posted in | Nanomagnetics

Wie man ein Besseres Magnetometer Aufbaut

Published on September 14, 2010 at 7:59 PM

Magnetometer kommen in viele Formen und in Größen - ein gewöhnlicher Handkompaß ist das einfachste - aber Alkalidampf Magnetometer sind besonders empfindliche Einheiten, die Magnetfelder unter Verwendung der Leuchte und der Atome messen. Sie können archäologische Überreste und Erzlagerstätten durch ihre schwachen magnetischen Unterzeichnungen, unter einem Hauptrechner anderer wissenschaftlicher Anwendungen untertage entdecken.

Forscher von der US-Abteilung von Nationalem Laboratorium des Lawrence Berkeley der Energie, von Universität Von Kalifornien, Berkeley und von Vavilov-Zustands-Optischen Institut im St. Petersburg, Russland, haben jetzt empfindliche Maße von den Magnetfeldern gemacht, indem sie bei Zimmertemperatur die Drehbeschleunigungspolarisation von Atomen in einem Alkalidampf Magnetometer für mehr als 60 Sekunden - eine Zwei-Ordnung-vongröße Verbesserung in diesem wichtigen Maßparameter über der besten vorhergehenden Leistung beibehielten.

In einem Dampfzellenmagnetometer wird die Drehbeschleunigung einer Bevölkerung der Atome zuerst polarisiert, wie durch den vertikalen roten Pfeil, durch einen Pumpenlaser, der selbst angezeigt Kreis- polarisiert wird. Wenn ein Magnetfeld angewandt ist, wird der Drehbeschleunigungsvektor rotiert, wie durch den gekippten roten Pfeil angezeigt. (Das Magnetfeld ist zur Fläche dieses Diagramms. senkrecht) Eigene flache Polarisation des Fühlerlasers wird durch die Drehbeschleunigung des Atoms rotiert, und der Grad von Rotation wird am Detektor gemessen.

In einer Drehbeschleunigung-polarisierten Bevölkerung von Atomen, mehr als Hälfte Atom werden in der gleichen Richtung orientiert. Ein Alkalidampf Magnetometer polarisiert einen Dampf von Alkalimetallatomen, zum Beispiel Kalium, Rubidium oder Zäsium, innerhalb einer Glaszelle unter Verwendung einer Kreis-polarisierten „Laserstrahl Pumpe“.

Weil die spinnenden Atome einen magnetischen Moment (mit Magnetpolen des Nord und Süd, wie einem Stabmagneten) haben, kippt ein äußeres Magnetfeld den Schwerpunkt der Drehbeschleunigung und veranlaßt ihn precess wie ein Kreisel, der weg von der Vertikale gedrückt wird. Änderungen in in der äußeren Stärke oder der Richtung des Bereichs können unter Verwendung eines Fühlerlasers entdeckt werden, um die durchschnittliche Drehbeschleunigungsorientierung des Dampfes wiederholt zu messen.

„Die grundlegende Empfindlichkeit des Maßes hängt von einigen Variablen ab,“ sagt Dmitry Budker der Kerndie Wissenschafts-Abteilung Berkeley-Labors, ein Professor von Physik bei Uc Berkeley. „Diese umfassen die Anzahl von Atomen in der Probe und, am wichtigsten, die Drehbeschleunigungsentspannungszeit der polarisierten Atome.“

Drehbeschleunigungsentspannung ist der Verlust der Polarisation, der Umsatz der Bevölkerung der Atome zu den gelegentlichen Orientierungen, die schneller geschieht, während Atome mit anderen Atomen zusammenstoßen, oder wenn das externe Magnetfeld sich unterscheidet.

Wie man ` EM-Spinnen hält

„Wenn ein Alkalimetallatom weg von einer Glaswand aufprallt, neigt es, für kurze Zeit zu haften,“ sagt Budker. „Während seiner Stütze ist es abhängig von schwankenden Magnetfeldern, die es veranlassen, Polarisation zu verlieren. So eine Möglichkeit, Polarisation beizubehalten ist, die Atome weg von der Wand zu halten, oder ihre vorübergehenden Aufenthalte auf der Wand kürzer zu machen.“

Ein Anflug ist, die Zelle mit einem trägen Buffergas wie Helium oder Neon, an einer Dichte zu füllen hoch genug, die die Alkaliatome ständig an die Buffergasatome stoßen, anstatt, mit den Wänden zusammenzustoßen. Die resultierende langsame Diffusion hält viele der polarisierten Atome weg von der Wand für eine lange Zeit. Dennoch entspannen sich Zusammenstöße mit den Buffergasatomen schließlich die Polarisation der Metallatome.

Eine bessere Methode, Drehbeschleunigungskohärenzhoch zu halten ist, den Innenraum der Glasdampfzelle mit einer „antirelaxation“ Beschichtung zu beschichten. Das Ziel ist, die Anzahl von Schlägen zu erhöhen, die ein Atom überleben kann, bevor es seine Polarisation verliert.

„Es ist wichtig, magnetisches Fluktuieren zu verringern, indem man alle schweren Atome in der Beschichtung vermeidet,“ sagt Budker. Mittel von hellen Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen sind die Wahl; hochmoderne antirelaxation Beschichtungen sind paraffiniert, chemisch gewusst als Alkane. Ein polarisiertes Atom kann ein Paraffin schlagen, das 10.000mal beschichtet, bevor es seine Polarisation verliert.

Aber Budker und sein langfristiger Kollege Mikhail Balabas St Petersburg des Vavilov-Zustands-Optischen Instituts haben gearbeitet, um Entspannungszeiten unter Verwendung der verschiedenen Beschichtungen auszudehnen. Gegenteil zur Volksweisheit, Balabas schlug vor, eine andere Art Kohlenwasserstoff zu ersetzen bekannt als ein Alken oder Olefin. Alkene sind Alkanen aber, anstelle gesättigt zu werden (alle Einfachbindungen) ähnlich, haben eine Doppelbindung des Kohlenstoffes im Molekül. Die Forscher' experimentiert mit Rubidiumdampfzellen zeigten nachfolgend, dass ein polarisiertes Rubidiumatom weg von einer Alkenbeschichtung aufprallen könnte Millionmal, bevor es seine Polarisation verlor.

Einstellen des Experimentes

„Alles Beschichtungsmaterial ist nicht dort ist zum Ausdehnen von Polarisation, jedoch“ sagt Budker. „Eine Möglichkeit, die Polarisation verloren ist, ist, wenn polarisierte Rubidiumatome in der Zelle in Verbindung mit unbeschichteten Oberflächen im Rubidiumhydrauliktank der Zelle - die Seitenwaffe erhalten, die enthält ein Tröpfchen des festen Metalls.“

Balabas plante eine einfache Verriegelung - einen Bolzen des schiebenden Glases, der, bloß, indem es die Zelleinheit rotiert, den Stamm zwischen dem Hydrauliktank und der Interaktionsregion öffnet oder schließt, in der die Atome polarisiert und gemessen werden.

Schließlich verlangsamten die Forscher das Drehbeschleunigungsentspannung wegen der Zusammenstöße unter den Rubidiumatomen innerhalb des Interaktionsbereiches der Zelle, indem sie eine Technik änderten, die SERF genannt wird (für „Drehbeschleunigungsaustausch, Entspannung-frei "). Die Physik des SKLAVEN wurde von William Happer entwickelt und angewendet am Magnetometry von Michael Romalis, beide der Universität von Princeton. SKLAVE verwendet normalerweise Buffergas, um die Anzahl von den Alkaliatomen zu verringern, welche die Zellwand, bei gleichzeitig Zusammenstöße unter den Alkaliatomen selbst paradoxerweise steigern schlagen, dem Heizen der Zelle auf ca. 150 Celsiusabschlüssen und dem Erhöhen der Dichte des Atomdampfes.

SKLAVE arbeitet nur für sehr schwache Magnetfelder, in denen Precession langsam ist. Da Atome viele Male während jedes möglichen Zeitraums von Precession zusammenstoßen, tauschen die mehrfachen Zusammenstöße häufig Drehbeschleunigungszustände unter den Atomen aus und halten die durchschnittliche Polarisation hoch. Um die Entspannungszeit weiterhin auszudehnen, verwendeten das Berkeley und die Vavilov-Institutzusammenarbeit ihre „Super“ antirelaxation Beschichtung anstelle des üblichen Buffergases.

Die experimentelle Installation wurde in Budkers Labor von Micah Ledbetter und von Todor Karaulanov aufgebaut und wurde konstruiert, um Feinsteuerung über der Form von Magnetfeldern innerhalb der experimentellen Kammer beizubehalten. Die Dampfzelle wurde vom Erdmagnetfeld durch vier Schichten MU-Metall, Legierung des Nickels und Eisen, das Magnetfelder um den abgeschirmten Bereich zurückstellt, plus einen Zylinder des keramischen Ferrits abgeschirmt.

Die experimentelle Einheit war gimbaled, also könnte die Dampfzelle rotiert werden und den schiebenden Bolzen den Stutzen des Kolbens sperren oder ihn entsperren lassen, um Rubidiumdampf in die Reaktionsregion zu erlauben. Dann überquerte ein Kreis- polarisierter Pumpenträger den Schwerpunkt des Experimentes, um den Atomdampf zu polarisieren, während ein Fühlerträger, der durch die Zelle passiert von Seite zu Seite, den Drehbeschleunigungszustand des Rubidiumdampfes aufzeichnete, indem er maß, wie die eigene lineare Polarisation des Fühlerträgers rotiert wurde.

Drei Zellen wurden geprüft, die entweder im Bau sich unterschieden, oder in den Rubidiumisotopen sie enthielten. Entspannungszeiten in zwei der Zellen waren ungefähr 15 Sekunden, bereits eine beträchtliche Extension, aber in einer, unter Verwendung des geläufigsten Isotops des Rubidiums, dehnte 85Rb, die Entspannungszeit zu in einem Protokoll aus. Im Gegensatz zu der üblichen SKLAVE-Installation wurde diese sehr lange Entspannungszeit bei Zimmertemperatur anstelle der extremen Wärme erzielt.

„Wir haben zwei Größenordnungen Verbesserung über den besten Paraffinbeschichtungen und bei Zimmertemperatur demonstriert - aber an einem verhältnismäßig niedrigen Magnetfeld,“ sagt Budker. „Die folgende Herausforderung ist, diese Technik in den stärkeren Magnetfeldern zu verwenden - so stark wie Erdmagnetfeld zum Beispiel wo viele der praktischen Anwendungen sind.“

Gleichzeitig beabsichtigen Budker und seine Kollegen, die Anwendung ihrer neuen Beschichtungen und die anderen Tricks, die sie, um verwendeten lange Entspannungszeiten zu erzielen, zu den Einheiten zu erforschen anders als Magnetometer. Unter den Kandidaten sind Atomuhren, Quantumsgrößtintegrierte Speicherbauelemente und andere wissenschaftliche Geräte, die ebenfalls von langlebiger Drehbeschleunigungspolarisation von Atomen abhängen.

Last Update: 12. January 2012 20:05

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