Posted in | Nanomagnetics

Bagaimana Membangun Sebuah Magnetometer Lebih Baik

Published on September 14, 2010 at 7:59 PM

Magnetometer datang dalam berbagai bentuk dan ukuran - sebuah kompas biasa genggam adalah yang paling sederhana - tapi magnetometer uap alkali adalah perangkat extrasensitive yang mengukur medan magnet menggunakan cahaya dan atom. Mereka dapat mendeteksi peninggalan arkeologis dan deposit mineral bawah tanah oleh tanda tangan mereka magnetik samar, di antara sejumlah aplikasi ilmiah lainnya.

Peneliti dari Departemen Energi AS Lawrence Berkeley National Laboratory , University of California di Berkeley, dan Institut Optik Negara Vavilov di St Petersburg, Rusia, sekarang telah membuat pengukuran sensitif dari medan magnet dengan mempertahankan polarisasi spin atom dalam alkali magnetometer uap-selama lebih dari 60 detik pada suhu kamar - dua-order-of-besarnya perbaikan dalam parameter ukuran penting atas kinerja terbaik sebelumnya.

Dalam magnetometer uap-sel, spin dari populasi atom pertama terpolarisasi, seperti ditunjukkan oleh panah merah vertikal, oleh laser pompa yang itu sendiri sirkuler terpolarisasi. Ketika medan magnet diterapkan, vektor berputar diputar, seperti ditunjukkan oleh panah merah miring. (Ini medan magnet tegak lurus terhadap bidang diagram ini.) Polarisasi pesawat sendiri laser probe diputar oleh spin atom, dan tingkat rotasi diukur pada detektor.

Dalam populasi-terpolarisasi spin dari atom, lebih dari setengah atom yang berorientasi pada arah yang sama. Sebuah magnetometer uap alkali polarizes uap alkali-metal atom, misalnya untuk kalium, rubidium, cesium atau, di dalam sel kaca menggunakan sirkuler-terpolarisasi "pompa" sinar laser.

Karena atom berputar memiliki momen magnetik (dengan utara dan kutub selatan magnet, seperti sebuah magnet batang), medan magnet luar akan memiringkan sumbu spin dan menyebabkannya untuk presesi seperti berputar atas yang telah mendorong dari vertikal. Perubahan dalam kekuatan bidang luar atau arah dapat dideteksi dengan menggunakan laser probe untuk mengukur orientasi spin berulang kali rata-rata uap itu.

"Sensitivitas fundamental dari pengukuran tergantung pada sejumlah variabel," kata Dmitry Budker Ilmu Divisi Berkeley Lab Nuklir, seorang profesor fisika di UC Berkeley. "Ini termasuk jumlah atom dalam sampel dan, paling penting, waktu relaksasi spin dari atom terpolarisasi."

Relaksasi spin adalah hilangnya polarisasi, kembalinya penduduk atom untuk orientasi acak, yang terjadi lebih cepat sebagai atom bertabrakan dengan atom lain, atau jika medan magnet eksternal bervariasi.

Bagaimana menjaga mereka berputar

"Ketika sebuah atom alkali-logam memantul dari dinding kaca, ia cenderung tetap untuk sementara waktu," kata Budker. "Selama tinggal nya itu tunduk pada fluktuasi medan magnet, yang menyebabkan kehilangan polarisasi. Jadi salah satu cara untuk mempertahankan polarisasi adalah untuk menjaga atom jauh dari dinding, atau untuk membuat menetap di tengah mereka pada dinding yang lebih pendek. "

Satu pendekatan adalah untuk mengisi sel dengan gas lembam penyangga seperti helium atau neon, dengan kepadatan cukup tinggi bahwa atom alkali terus menabrak atom-atom gas penyangga bukan bertabrakan dengan dinding. Difusi yang lambat membuat banyak dihasilkan dari atom terpolarisasi menjauh dari dinding untuk waktu yang lama. Namun, tabrakan dengan atom gas penyangga akhirnya mengendurkan polarisasi atom logam.

Cara yang lebih baik untuk menjaga koherensi berputar tinggi adalah untuk melapisi bagian dalam sel uap kaca dengan lapisan "antirelaxation". Tujuannya adalah untuk meningkatkan jumlah bounce atom dapat bertahan sebelum kehilangan polarisasi.

"Sangat penting untuk mengurangi fluktuasi magnet dengan menghindari atom berat di lapisan," kata Budker. Senyawa karbon cahaya dan atom hidrogen adalah pilihan, state-of-the-art pelapis antirelaxation yang parafin, yang dikenal sebagai alkana kimia. Sebuah atom terpolarisasi dapat menekan lapisan parafin 10.000 kali sebelum kehilangan polarisasi.

Tapi Budker dan lama rekannya Mikhail Balabas St Petersburg Vavilov Negara Optical Institute telah bekerja untuk memperpanjang waktu relaksasi menggunakan pelapis yang berbeda. Bertentangan dengan kebijaksanaan konvensional, Balabas menyarankan mengganti berbagai jenis hidrokarbon dikenal sebagai alkena, atau olefin. Alkena mirip dengan alkana, tetapi, bukannya jenuh (semua ikatan tunggal), memiliki satu ikatan karbon ganda dalam molekul. Eksperimen para peneliti 'dengan sel uap rubidium kemudian menunjukkan bahwa atom rubidium terpolarisasi bisa terpental lapisan alkena satu juta kali sebelum kehilangan polarisasi.

Fine-tuning percobaan

"Bahan pelapis tidak semua yang ada untuk polarisasi memperpanjang, bagaimanapun," kata Budker. "Salah satu cara adalah polarisasi hilang adalah ketika atom rubidium terpolarisasi dalam sel mendapatkan kontak dengan permukaan dilapisi dalam reservoir rubidium sel -. Dengan pistol yang berisi tetesan dari metal yang solid"

Balabas merancang kunci sederhana - sebuah plug kaca geser yang, hanya dengan memutar perakitan sel, membuka atau menutup batang antara reservoir dan daerah interaksi di mana atom-atom terpolarisasi dan diukur.

Akhirnya, para peneliti diperlambat relaksasi berputar akibat tabrakan antara atom rubidium di dalam area interaksi sel dengan memodifikasi teknik yang disebut hamba (untuk "spin pertukaran, relaksasi bebas"). Fisika dari hamba dikembangkan oleh William Happer dan diterapkan untuk magnetometry oleh Michael Romalis, baik dari Princeton University. Budak biasanya menggunakan gas buffer untuk mengurangi jumlah atom alkali memukul dinding sel, sementara pada saat yang sama paradoks meningkatkan tumbukan antara atom alkali sendiri, pemanasan sel untuk sekitar 150 derajat Celcius dan meningkatkan kepadatan dari uap atom.

Budak bekerja hanya untuk medan magnet yang sangat lemah, di mana presesi lambat. Karena atom bertabrakan beberapa kali selama masa presesi, beberapa tabrakan sering pertukaran berputar di antara negara-negara atom dan menjaga polarisasi rata-rata tinggi. Untuk memperpanjang waktu relaksasi lebih jauh lagi, kolaborasi Berkeley dan Institut Vavilov digunakan "super" mereka lapisan antirelaxation bukan gas penyangga biasa.

Setup eksperimental di laboratorium Budker dibangun oleh Mikha Ledbetter dan Todor Karaulanov, dan dirancang untuk mempertahankan kontrol baik atas bentuk medan magnet dalam ruang eksperimental. Sel uap terlindung dari medan magnet bumi oleh empat lapisan logam mu, paduan nikel dan besi yang shunts medan magnet di sekitar daerah terlindung, ditambah silinder keramik ferit.

Perakitan eksperimental gimbaled sehingga sel uap dapat diputar, konektor geser membiarkan mengunci leher labu atau membuka untuk memungkinkan uap rubidium ke wilayah reaksi. Kemudian sinar pompa sirkuler terpolarisasi melintasi sumbu percobaan untuk mempolarisasi uap atom, sedangkan sinar penyelidikan melewati sel dari sisi ke sisi mencatat keadaan spin dari uap rubidium dengan mengukur bagaimana polarisasi sendiri linier sinar probe diputar.

Tiga sel yang diuji, yang berbeda baik dalam pembangunan atau dalam isotop rubidium mereka mengandung. Relaksasi kali dalam dua sel itu sekitar 15 detik, sudah menjadi ekstensi yang signifikan, tetapi dalam satu, dengan menggunakan isotop paling umum dari rubidium, 85Rb, waktu relaksasi membentang ke lebih dari satu menit. Berbeda dengan setup hamba biasa, ini waktu relaksasi sangat lama dicapai pada suhu kamar, bukan panas yang ekstrim.

"Kami telah menunjukkan dua perintah perbaikan besarnya atas lapisan parafin terbaik, dan pada suhu kamar - tetapi pada medan magnet yang relatif rendah," kata Budker. "Tantangan selanjutnya adalah menggunakan teknik ini dalam medan magnet kuat -. Kuat seperti medan magnet bumi, misalnya, di mana banyak aplikasi praktis"

Pada saat yang sama, Budker dan rekan-rekannya berniat untuk mengeksplorasi aplikasi coating baru mereka, dan trik lain yang mereka gunakan untuk mencapai waktu relaksasi yang lama, ke perangkat lain selain magnetometer. Di antara kandidat jam atom, perangkat memori kuantum, dan gadget lainnya yang juga ilmiah bergantung pada panjang-hidup polarisasi spin dari atom.

Last Update: 10. October 2011 05:33

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit