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Comment bâtir un meilleur Magnétomètre

Published on September 14, 2010 at 7:59 PM

Magnétomètres dans de nombreuses formes et tailles - une boussole ordinaire à main est le plus simple - mais la vapeur magnétomètres alcalins sont des dispositifs qui mesurent extrasensitive champs magnétiques en utilisant la lumière et les atomes. Ils peuvent détecter des vestiges archéologiques et les dépôts minéraux souterrains par leur faible signature magnétique, parmi une foule d'autres applications scientifiques.

Des chercheurs de l' Département américain de l'Énergie Lawrence Berkeley National Laboratory , l'Université de Californie à Berkeley et l'Institut Vavilov Etat optique à Saint-Pétersbourg, en Russie, ont maintenant fait des mesures de champs magnétiques sensibles en maintenant la polarisation de spin des atomes dans une solution alcaline magnétomètre à vapeur de plus de 60 secondes à température ambiante - un à deux ordres de grandeur amélioration de ce paramètre de mesure important au cours de la meilleure performance précédente.

Dans un magnétomètre vapeur cellule, le spin d'une population d'atomes est d'abord polarisé, comme indiqué par la flèche rouge verticale, par un laser de pompe qui est lui-même polarisé circulairement. Lorsqu'un champ magnétique est appliqué, le vecteur spin est en rotation, comme indiqué par la flèche inclinée rouge. (Le champ magnétique est perpendiculaire au plan de ce diagramme.) Polarisation du laser sonde propre plan est tourné par spin de l'atome, et le degré de rotation est mesurée au niveau du détecteur.

Dans une population polarisés en spin des atomes, plus de la moitié des atomes sont orientés dans la même direction. Un magnétomètre à vapeur de soude polarise une vapeur d'atomes de métal alcalin, par exemple pour le potassium, le rubidium, le césium ou, à l'intérieur d'une cellule de verre en utilisant un polarisée circulairement faisceau laser "pompe".

Parce que les atomes de filature ont un moment magnétique (avec pôles nord et sud magnétiques, comme un aimant bar), un champ magnétique extérieur, vous pourrez basculer l'axe de rotation et provoquer le mouvement de précession comme une toupie qui a été poussé à la verticale. Les changements dans la force du champ à l'extérieur ou de la direction peuvent être détectés à l'aide d'un laser sonde à plusieurs reprises mesurer l'orientation de la vapeur spin moyen.

"La sensibilité fondamentale de la mesure dépend d'un certain nombre de variables», explique Dmitry Budker de la Division de Berkeley Lab Sciences nucléaires, un professeur de physique à l'université de Berkeley. "Il s'agit notamment du nombre d'atomes dans l'échantillon et, plus important, le temps de relaxation de spin des atomes polarisés."

Relaxation de spin est la perte de la polarisation, le retour de la population d'atomes d'orientations aléatoires, ce qui arrive plus vite que les atomes en collision avec d'autres atomes, ou si le champ magnétique externe varie.

Comment conserver 'em filature

"Quand un atome de métal alcalin rebondit sur une paroi de verre, il a tendance à coller pendant un petit moment», explique Budker. »Pendant son séjour, il est soumis à la fluctuation des champs magnétiques, ce qui lui fait perdre la polarisation. Donc, une façon de maintenir la polarisation est de garder les atomes du mur, ou pour faire de leurs séjours sur les courts du mur. "

Une approche consiste à remplir la cellule avec un gaz inerte comme tampon d'hélium ou le néon, à une densité suffisamment élevée pour que les atomes alcalins constamment cogner dans les atomes du gaz tampon au lieu d'entrer en collision avec les murs. La diffusion lente résultant conserve de nombreux atomes polarisés loin du mur pour un long moment. Néanmoins, les collisions avec les atomes de gaz tampon éventuellement détendre la polarisation des atomes métalliques.

Une meilleure façon de garder la cohérence de spin élevé est de recouvrir l'intérieur de la cellule de vapeur en verre avec un "antirelaxation" revêtement. L'objectif est d'augmenter le nombre de rebonds d'un atome peut survivre avant de perdre sa polarisation.

«Il est important de réduire les fluctuations magnétiques en évitant toute atomes lourds dans le revêtement," Budker dit. Composés de carbone légère et des atomes d'hydrogène sont le choix; revêtements antirelaxation état de l'art sont les paraffines, chimiquement connu que les alcanes. Un atome polarisé peut frapper un revêtement de paraffine 10.000 fois avant de perdre sa polarisation.

Mais Budker et son collègue de longue date Mikhail Balabas de Saint-Pétersbourg Vavilov de l'Institut national d'optique ont travaillé à prolonger les temps de relaxation utilisant des revêtements différents. Contrairement aux idées reçues, Balabas suggéré de substituer un autre type d'hydrocarbures connue sous le nom d'un alcène ou d'oléfines. Alcènes sont similaires aux alcanes, mais, au lieu d'être saturées (toutes les liaisons simples), ont une double liaison carbone dans la molécule. Les expériences des chercheurs avec des cellules vapeur de rubidium ont montré ensuite que un atome de rubidium polarisée pourrait rebondir un revêtement alcène un million de fois avant de perdre sa polarisation.

Réglage fin de l'expérience

"Le matériau de revêtement n'est pas tout ce qu'il ya à la polarisation de prolonger, cependant,« Budker dit. «Une polarisation de manière est perdu, c'est quand des atomes de rubidium polarisée dans la cellule d'entrer en contact avec des surfaces non couchés dans le réservoir de la cellule de rubidium -. Arme de poing qui contient une gouttelette de métal solide"

Balabas imaginé une simple serrure - un bouchon en verre coulissante qui, par simple rotation de l'ensemble des cellules, ouvre ou ferme la tige entre le réservoir et la région d'interaction où les atomes sont polarisés et mesurés.

Enfin, les chercheurs ont ralenti de relaxation spin due à des collisions entre les atomes de rubidium à l'intérieur de la zone d'interaction de la cellule en modifiant d'une technique appelée SERF (pour «échange de spin, la relaxation-free"). La physique de l'IRES ont été développés par William Happer et appliquée à la magnétométrie par Romalis Michael, tous deux de l'Université Princeton. SERF utilise normalement gaz tampon pour réduire le nombre d'atomes alcalins frapper la paroi cellulaire, tandis que dans le même temps, paradoxalement, le renforcement de collisions entre les atomes alcalins eux-mêmes, le chauffage de la cellule d'environ 150 degrés Celsius et en augmentant la densité de la vapeur atomique.

SERF ne fonctionne que pour champs magnétiques très faibles, où la précession est lente. Comme les atomes se heurtent à plusieurs reprises au cours de toute période de précession, les collisions multiples échangent fréquemment parmi les états de spin des atomes et de conserver la polarisation moyenne élevée. Pour prolonger le temps de relaxation encore, la collaboration et l'Institut Vavilov Berkeley ont utilisé leur revêtement «super» antirelaxation au lieu du gaz tampon d'habitude.

Le dispositif expérimental a été construit dans le laboratoire de Budker par Micah Ledbetter et Todor Karaulanov, et a été conçu pour maintenir un contrôle précis de la forme de champs magnétiques à l'intérieur de la chambre expérimentale. La cellule de vapeur a été à l'abri de champ magnétique terrestre par quatre couches de métal mu, un alliage de nickel et de fer qui shunts champs magnétiques autour de la zone protégée, plus un cylindre de céramique de ferrite.

Le montage expérimental a été cardan pour la cellule de vapeur pourrait être tourné, laissant le bouchon coulissant verrouiller le col du ballon ou de le déverrouiller pour permettre à vapeur de rubidium dans la région de réaction. Ensuite, un faisceau pompe polarisée circulairement traversé l'axe de l'expérience de polariser la vapeur atomique, alors qu'un faisceau sonde passant par la cellule de gauche à droite enregistré l'état de spin de la vapeur de rubidium en mesurant propres au faisceau sonde polarisation linéaire a été tourné.

Trois cellules ont été testés, ce qui différaient soit en construction ou dans les isotopes du rubidium qu'ils contenaient. Les temps de relaxation dans deux des cellules ont été d'environ 15 secondes, déjà une extension significative, mais dans un, en utilisant l'isotope le plus commun de rubidium, 85Rb, le temps de relaxation étiré à plus d'une minute. Contrairement à la configuration habituelle SERF, ce temps de relaxation très long a été réalisé à la température ambiante au lieu d'une chaleur extrême.

«Nous avons démontré une amélioration de deux ordres de grandeur par rapport à des revêtements meilleurs paraffine, et à température ambiante - mais à un champ magnétique relativement faible", Budker dit. «Le prochain défi est d'utiliser cette technique dans plus forts champs magnétiques -. Aussi fort que le champ magnétique terrestre, par exemple, où de nombreuses applications pratiques sont"

Dans le même temps, Budker et ses collègues ont l'intention d'étudier l'application de leurs nouveaux revêtements, et les autres trucs ils ont utilisé pour atteindre des temps de relaxation longs, des appareils autres que des magnétomètres. Parmi les candidats sont des horloges atomiques, dispositifs de mémoire quantique, et autres gadgets scientifiques qui dépendent également de polarisation de spin de longue durée d'atomes.

Last Update: 9. October 2011 19:16

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