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Posted in | Nanomagnetics

Cómo construir un magnetómetro mejor

Published on September 14, 2010 at 7:59 PM

Magnetómetros vienen en muchas formas y tamaños - una brújula ordinaria de mano es la más simple - pero los álcalis vapor magnetómetros son dispositivos extrasensitive que medir los campos magnéticos con la luz y los átomos. Pueden detectar restos arqueológicos y yacimientos minerales bajo tierra con su firma magnética débil, entre muchas otras aplicaciones científicas.

Investigadores de la Departamento de EE.UU. de Lawrence de Energía del Laboratorio Nacional de Berkeley , la Universidad de California en Berkeley, y el Instituto Vavilov Estado óptica en San Petersburgo, Rusia, han hecho mediciones sensibles de campos magnéticos por el mantenimiento de la polarización de espín de los átomos en una solución alcalina de vapor de magnetómetro de más de 60 segundos a temperatura ambiente - una de dos órdenes de magnitud de la mejora en este parámetro de medición más importantes el mejor rendimiento anterior.

En un magnetómetro de vapor de las células, el giro de una población de átomos por primera vez polarizado, según lo indicado por la flecha roja vertical, por un láser de bombeo que se está polarizada circularmente. Cuando un campo magnético es aplicado, el vector de rotación se hace girar, como lo indica la flecha roja inclinada. (El campo magnético es perpendicular al plano del diagrama.) Propio plano de polarización del láser de la sonda se rota por spin del átomo, y el grado de rotación se mide en el detector.

En una población de espín polarizado de los átomos, más de la mitad de los átomos se orientan en la misma dirección. Un magnetómetro de vapor de álcali polariza un vapor de átomos de metal alcalino, por ejemplo, potasio, rubidio, cesio o, dentro de una celda de vidrio con una polarización circular "bomba" del rayo láser.

Debido a que los átomos de spinning tienen un momento magnético (con los polos norte y sur magnéticos, como un imán de barra), un campo magnético exterior se inclina el eje de giro y hacer que se precesión como un trompo que ha sido empujado fuera de la vertical. Cambios en la fuerza del campo en las afueras o la dirección pueden ser detectados utilizando un láser de la sonda para medir la orientación del espín en repetidas ocasiones el promedio de vapor.

"La sensibilidad fundamental de la medida depende de una serie de variables", dice Dmitry Budker de la División de Ciencia Nuclear del Laboratorio de Berkeley, profesor de física en UC Berkeley. "Esto incluye el número de átomos en la muestra y, lo más importante, el tiempo de relajación spin de los átomos polarizados."

Relajación spin es la pérdida de la polarización, el retorno de la población de los átomos de orientaciones al azar, que ocurre más rápido que los átomos colisionan con otros átomos, o si el campo magnético externo varía.

Cómo mantener el 'em spinning

"Cuando un átomo de metal alcalino rebota en una pared de cristal, que tiende a permanecer por un tiempo", dice Budker. "Durante su permanencia está sujeta a las fluctuaciones de los campos magnéticos, lo que causa que se pierda la polarización. Así que una manera de mantener la polarización es mantener a los átomos de la pared, o para hacer sus estancias más cortas en la pared. "

Un método consiste en llenar la celda con un gas inerte como el helio o el neón, con una densidad suficientemente alta para que los átomos alcalinos constantemente chocan los átomos de amortiguación de gas en lugar de chocar con las paredes. La difusión que resulta lento hace que muchos de los átomos de polarización de la pared durante mucho tiempo. Sin embargo, las colisiones con los átomos de gas tampón finalmente relajar la polarización de los átomos del metal.

Una mejor manera de mantener la coherencia de spin alto consiste en recubrir el interior de la celda de vidrio de vapor con una "antirelajación" recubrimiento. El objetivo es aumentar el número de rebotes de un átomo puede sobrevivir antes de perder su polarización.

"Es importante para reducir las fluctuaciones magnéticas evitando cualquier átomos pesados ​​en la capa", dice Budker. Compuestos de carbono, luz y los átomos de hidrógeno son la opción, el estado de la técnica de revestimientos antirelajación son parafinas, conocido químicamente como alcanos. Un átomo polarizado puede golpear una capa de parafina 10.000 veces antes de perder su polarización.

Pero Budker y su viejo colega Mikhail Balabas de Vavilov de San Petersburgo Instituto Estatal óptica han trabajado para extender los tiempos de relajación con diferentes revestimientos. Contrariamente al conocimiento convencional, Balabas propuso sustituir un tipo diferente de hidrocarburos conocido como un alqueno o de olefinas. Alquenos son similares a los alcanos, pero, en lugar de ser saturados (todos los enlaces simples), tienen un doble enlace de carbono en la molécula. Los experimentos de los investigadores con células de vapor de rubidio posteriormente demostró que un átomo de rubidio polarizado podría rebotar en un recubrimiento de alqueno un millón de veces antes de perder su polarización.

Puesta a punto del experimento

"El material de recubrimiento no es todo lo que hay que prolongar la polarización, sin embargo," Budker dice. "Una forma de polarización se pierde es cuando los átomos de rubidio polarizado en la celda de ponerse en contacto con superficies no recubiertas en el depósito de la célula de rubidio -. El arma que contiene una gota de metal sólido"

Balabas ideado una cerradura simple - un tapón de vidrio corredizas que, simplemente girando el conjunto de células, abre o cierra la madre entre el depósito y la región de interacción donde los átomos se polarizan y se mide.

Finalmente, los investigadores se desaceleró relajación spin debido a las colisiones entre los átomos de rubidio en el interior del área de interacción de la célula mediante la modificación de una técnica conocida como siervo (de "spin de cambio, la relajación-free"). La física de siervos fueron desarrollados por William Happer y se aplica a la magnetometría por Romalis Michael, ambos de la Universidad de Princeton. Siervo normalmente utiliza el gas de amortiguación para reducir el número de átomos alcalinos golpear la pared celular, mientras que al mismo tiempo, paradójicamente, la intensificación de las colisiones entre los átomos alcalinos sí mismos, el calentamiento de la célula a unos 150 grados Celsius y el aumento de la densidad del vapor atómico.

Siervo sólo funciona para los campos magnéticos muy débiles, donde la precesión es lento. Ya que los átomos chocan muchas veces durante un período de precesión, las colisiones múltiples con frecuencia el intercambio entre los estados de spin de los átomos y de mantener la polarización media alta. Para extender el tiempo de relajación aún más, la colaboración de Berkeley y del Instituto Vavilov utiliza su "super" recubrimiento antirelajación en lugar de la de gas separador habitual.

El montaje experimental fue construido en el laboratorio de Budker por Miqueas Ledbetter y Karaulanov Todor, y fue diseñado para mantener un control preciso sobre la forma de los campos magnéticos dentro de la cámara experimental. La célula de vapor estaba protegida desde el campo magnético de la Tierra por cuatro capas de metal mu, una aleación de níquel y hierro por el que viaja los campos magnéticos alrededor de la zona protegida, además de un cilindro de cerámica de ferrita.

El montaje experimental se gimbaled por lo que la célula de vapor puede ser rotado, dejando el tapón deslizante bloquear el cuello del matraz o desbloquearlo para permitir que el vapor de rubidio en la zona de reacción. Luego, una viga de la bomba polarizada circularmente atravesado el eje del experimento para polarizar el vapor atómico, mientras que un haz de prueba pasando por la célula de un lado a otro registrado el estado de espín del vapor de rubidio mediante la medición de cómo el haz de prueba de polarización lineal propia fue girado.

Tres células fueron probadas, lo que difiere, ya sea en construcción o en los isótopos de rubidio que contenían. Tiempos de relajación en dos de las células fueron alrededor de 15 segundos, ya una extensión significativa, pero en uno, usando el isótopo más común de rubidio, 85Rb, el tiempo de relajación se extendía a más de un minuto. En contraste con la configuración del Siervo de costumbre, este tiempo de relajación mucho tiempo se ha logrado a temperatura ambiente en lugar de calor extremo.

"Hemos demostrado dos órdenes de magnitud la mejora en los revestimientos de las mejores de parafina, ya temperatura ambiente - pero en un campo magnético relativamente bajo", dice Budker. "El próximo desafío es utilizar esta técnica en campos magnéticos más fuertes -. Tan fuerte como el campo magnético de la Tierra, por ejemplo, donde muchas de las aplicaciones prácticas son"

Al mismo tiempo, Budker y sus colegas la intención de explorar la aplicación de los nuevos recubrimientos, y los otros trucos que utiliza para lograr largos tiempos de relajación, para dispositivos que no sean de metales. Entre los candidatos son los relojes atómicos, los dispositivos de la memoria cuántica, y otros aparatos científicos que también dependen de polarización de espín de larga duración de los átomos.

Last Update: 9. October 2011 21:24

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