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Come Costruire Un Migliore Magnetometro

Published on September 14, 2010 at 7:59 PM

I Magnetometri vengono in molte forme e dimensioni - una bussola tenuta in mano comune è il più semplice - ma i magnetometri del alcali-vapore sono unità extri-sensibile che misurano i campi magnetici facendo uso di indicatore luminoso e degli atomi. Possono individuare il resti archeologico ed i giacimenti minerari in sotterraneo dalle loro impronte magnetiche deboli, in una miriade di altre applicazioni scientifiche.

I Ricercatori dal Dipartimento Per L'Energia di Stati Uniti il Laboratorio Nazionale del Lawrence Berkeley, L'Università di California a Berkeley e l'Istituto Ottico dello Stato di Vavilov a San Pietroburgo, Russia, ora hanno effettuato le misure sensibili dei campi magnetici mantenendo la polarizzazione degli atomi in un magnetometro del alcali-vapore per più di 60 secondi alla temperatura ambiente - un miglioramento della rotazione di due-ordine-de-grandezza in questo parametro importante di misura sopra la migliore prestazione precedente.

In un magnetometro della vapore-cella, la rotazione di una popolazione degli atomi in primo luogo è polarizzata, come indicato dalla freccia rossa verticale, da un laser che stesso della pompa è polarizzato circolarmente. Quando un campo magnetico è applicato, il vettore della rotazione è girato, come indicato dalla freccia rossa inclinata. (Il campo magnetico è perpendicolare al piano di questo diagramma.) La propria polarizzazione piana del laser della sonda è girata dalla rotazione dell'atomo ed il grado di rotazione è misurato al rivelatore.

In una popolazione rotazione-polarizzata degli atomi, più della metà degli atomi sono orientati nella stessa direzione. Un magnetometro del alcali-vapore polarizza un vapore degli atomi alcalini-metallici, per esempio potassio, rubidio, o cesio, dentro una cella di vetro facendo uso di un raggio laser circolare-polarizzato “della pompa„.

Poiché gli atomi di filatura hanno un momento magnetico (con i poli magnetici di nord e sud, come un magnete a barra), un campo magnetico dell'esterno inclinerà l'asse della rotazione e lo indurrà a precess come una trottola che è spinta fuori dal verticale. I Cambiamenti nella concentrazione o nella direzione del campo esterna possono essere individuati facendo uso di un laser della sonda per misurare ripetutamente l'orientamento medio della rotazione del vapore.

“La sensibilità fondamentale della misura dipende da una serie di variabili,„ dice Dmitry Budker di Divisione di Scienza Nucleare del Laboratorio di Berkeley, il professor di fisica a Uc Berkeley. “Questi comprendono il numero degli atomi nel campione e, più importante, il periodo di rilassamento della rotazione degli atomi polarizzati.„

Il rilassamento della Rotazione è la perdita di polarizzazione, il rendimento della popolazione degli atomi agli orientamenti casuali, che accade più velocemente mentre gli atomi si scontrano con altri atomi, o se il campo magnetico esterno varia.

Come tenere filatura di em del `

“Quando un atomo alcalino-metallico rimbalza fuori da una parete di vetro, tende ad attaccare per un po 'di tempo,„ dice Budker. “Durante il suo soggiorno è conforme ai campi magnetici di variazione, che lo inducono a perdere la polarizzazione. Così un modo mantenere la polarizzazione è di tenere gli atomi a partire dalla parete, o di rendere le loro permanenze sulla parete più brevi.„

Un approccio è di riempire la cella di gas inerte del buffer come elio o neon, ad una densità abbastanza su che gli atomi dell'alcali si scontrano costantemente gli atomi del gas del buffer invece di scontrarsi con le pareti. La diffusione lenta risultante tiene a lungo molti degli atomi polarizzati a partire dalla parete. Tuttavia, le collisioni con gli atomi del gas del buffer finalmente si rilassano la polarizzazione degli atomi del metallo.

Un migliore modo tenere il livello della coerenza della rotazione è di ricoprire l'interno della cella di vetro del vapore di mano “di antirelaxation„. Lo scopo è di aumentare il numero dei rimbalzi che un atomo può sopravvivere a prima della perdita della sua polarizzazione.

“È importante diminuire le fluttuazioni magnetiche evitando tutti gli atomi pesanti nel rivestimento,„ Budker dice. I Composti degli atomi leggeri di idrogeno e del carbonio sono la scelta; i rivestimenti avanzati di antirelaxation sono paraffina, conosciuto chimicamente come alcani. Un atomo polarizzato può colpire una paraffina che ricopre 10.000 volte prima della perdita della sua polarizzazione.

Ma Budker ed il suo collega da sempre Mikhail Balabas dell'Istituto Ottico dello Stato del Vavilov di St Petersburg hanno funzionato per estendere i tempi di rilassamento facendo uso dei rivestimenti differenti. Il Contrario a saggezza popolare, Balabas ha suggerito di sostituire un genere differente di idrocarburo conosciuto come un alchenico, o l'olefina. Gli Alchenici sono simili agli alcani ma, invece di saturazione (tutte le obbligazioni singole), hanno un legame doppio del carbonio nella molecola. I ricercatori' sperimenta con le celle del vapore del rubidio successivamente hanno indicato che un atomo polarizzato del rubidio potrebbe rimbalzare fuori da un rivestimento alchenico milione volte prima della perdita della sua polarizzazione.

regolare l'esperimento

“Il materiale di rivestimento non è tutto là è a prolungare la polarizzazione, tuttavia,„ Budker dice. “Un modo che la polarizzazione è persa è quando gli atomi polarizzati del rubidio nella cella ottengono in contatto con le superfici non rivestite nel bacino idrico del rubidio delle cellule - il sidearm che contiene una gocciolina del metallo solido.„

Balabas ha inventato un blocco semplice - una spina di vetro di scivolamento che, soltanto girando l'assembly delle cellule, apre o chiude il gambo fra il bacino idrico e la regione di interazione dove gli atomi sono polarizzati e misurati.

Per Concludere, i ricercatori hanno rallentato il rilassamento della rotazione dovuto le collisioni fra gli atomi del rubidio dentro l'area di interazione della cella modificando una tecnica chiamata SERF (per “lo scambio di rotazione, senza rilassamento "). La fisica del SERVO è stata sviluppata da William Happer e si è applicata a magnetometry da Michael Romalis, entrambi la Princeton University. Del SERVO gas del buffer di usi normalmente per ridurre il numero degli atomi dell'alcali che colpiscono la parete cellulare, mentre allo stesso tempo paradossalmente aumentando le collisioni fra gli atomi dell'alcali stesse, riscaldando la cella a circa 150 lauree Centigradi ed aumentando la densità del vapore atomico.

Il SERVO lavora soltanto per i campi magnetici molto deboli, dove la precessione è lenta. Poiché gli atomi si scontrano molte volte durante il tutto il periodo di precessione, i tamponamenti a catena frequentemente scambiano gli stati di spin fra gli atomi e tengono la polarizzazione media alta. Per estendere il tempo di rilassamento ancora più, il Berkeley e la collaborazione dell'Istituto di Vavilov hanno usato il loro rivestimento “eccellente„ di antirelaxation invece del gas usuale del buffer.

L'impostazione sperimentale è stata sviluppata nel laboratorio di Budker da Micah Ledbetter e da Todor Karaulanov ed è stata destinata per mantenere il controllo fine sopra la forma dei campi magnetici dentro la camera sperimentale. La cella del vapore è stata protetta dal campo magnetico della Terra da quattro livelli di metallo della MU, di lega di nichel e di ferro che mette da parte i campi magnetici intorno all'area schermata, più un cilindro di ferrito ceramico.

L'assembly sperimentale era gimbaled in modo dalla cella del vapore potrebbe essere girata, lasciando la spina scorrevole chiudere il collo a chiave della boccetta o aprirlo per permettere il vapore del rubidio nella regione della reazione. Poi un raggio circolarmente polarizzato della pompa ha attraversato l'asse dell'esperimento per polarizzare il vapore atomico, mentre un raggio della sonda che passa attraverso la cella da lato a lato ha registrato lo stato di spin del vapore del rubidio misurando come la propria polarizzazione lineare del raggio della sonda è stata girata.

Tre celle sono state esaminate, che hanno differito o nella costruzione o negli isotopi del rubidio hanno contenuto. I tempi di Rilassamento in due delle celle erano di circa 15 secondi, già un'estensione significativa, ma in una, facendo uso dell'isotopo più comune di rubidio, 85Rb, il tempo di rilassamento ha allungato durante ad un minuto. Contrariamente all'impostazione usuale del SERVO, questo molto molto tempo di rilassamento è stato raggiunto alla temperatura ambiente invece del calore estremo.

“Abbiamo dimostrato un miglioramento di due ordini di grandezza sopra i migliori rivestimenti della paraffina ed alla temperatura ambiente - ma ad un campo magnetico relativamente basso,„ Budker dice. “La sfida seguente è di utilizzare questa tecnica nei più forti campi magnetici - forti quanto il campo magnetico della Terra, per esempio, dove molte delle applicazioni pratiche sono.„

Allo stesso tempo, Budker ed i suoi colleghi intendono esplorare l'applicazione dei loro nuovi rivestimenti e gli altri trucchi che hanno usato per raggiungere i molti tempi di rilassamento, alle unità all'infuori dei magnetometri. Fra i candidati sono gli orologi atomici, le unità di memoria di quantum ed altri aggeggi scientifici che dipendono similarmente da polarizzazione longeva della rotazione degli atomi.

Last Update: 12. January 2012 10:48

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