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Posted in | Nanomagnetics

よりよい磁気計を構築する方法

Published on September 14, 2010 at 7:59 PM

磁気計は多くの形およびサイズ - 通常の手持ち型のコンパスです最も簡単 - 入って来ますが、アルカリ蒸気磁気計はライトおよび原子を使用して磁場を測定する特に敏感な装置です。 それらは他の科学的なアプリケーションの多くの中のかすかな磁気署名によって考古学的な残物および鉱物沈澱物を、地下検出してもいいです。

ローレンスバークレーの国立研究所、カリフォルニア州立大学バークレー校、およびセント・ピーターズバーグ、ロシアの Vavilov の州の光学協会米国エネルギー省からの研究者は磁場の室温で 60 秒以上のアルカリ蒸気磁気計の原子の回転の分極 - 最大の前のパフォーマンス上のこの重要な測定パラメータの 2 順序の大きさの改善の維持によって、今敏感な測定をしてしまいました。

蒸気セル磁気計では、原子の人口の回転は自体によって明記されるように最初に、円形に分極されるによる縦の赤い矢、ポンプレーザー分極されます。 磁界が応用のとき、回転のベクトルは傾けられた赤い矢によって明記されるように、回ります。 (磁界はこの図表の平面に垂直です。) プローブレーザーの自身の平らな分極は原子の回転によって回り、回転のある程度は探知器で測定されます。

原子の回転分極された人口では、原子半分のよりもっと同じ方向で方向づけられます。 アルカリ蒸気磁気計は円分極された 「ポンプ」レーザ光線を使用してアルカリ金属原子、ガラスセルの中の例えばカリウム、ルビジウム、またはセシウムの蒸気を、分極します。

回転原子が磁気モーメントを (棒磁石のような南北磁気棒と、) 過すので、外側の磁界は回転の軸線を傾け、垂直を離れて押される回転上のように歳差運動させます。 外フィールドの強さまたは方向の変更はプローブレーザーを使用して繰り返し蒸気の平均回転のオリエンテーションを測定するために検出することができます。

「測定の基本的な感度いくつかの変数によって決まります」、はバークレーの実験室の核科学部の Dmitry Budker をカリフォルニア州立大学バークレー校の物理学の教授言います。 「これらはサンプルに含めます最も重要な原子の番号および、分極された原子の回転の緩和時間を」。

回転の弛緩は原子が他の原子と衝突すると同時に、または外部磁界が変われば分極の損失、任意オリエンテーションへのより速く起こる原子の人口のリターンです。

` em の回転を保つ方法

「アルカリ金属原子はガラス壁を離れて跳ねるとき、少しの間スタックしがちです」 Budker を言います。 「滞在の間にそれはそれが分極を失います変動の磁場に応じてあります。 分極を維持するそう 1 つの方法は原子を壁から離れた保つか、または壁で一時滞在をすることですより短く」。

1 つのアプローチは十分に高くアルカリ原子がバッファガス原子に壁によって衝突するかわりに絶えずぶつける密度でヘリウムまたはネオンのような不活性バッファガスでセルを、満たすことです。 生じる遅い拡散は分極された原子の多数を壁から離れた長い間保ちます。 それにもかかわらず、バッファガス原子との衝突は結局金属原子の分極を緩めます。

回転の一貫性の最高を保つよりよい方法は 「antirelaxation」のコーティングとガラス蒸気セルの内部に塗ることです。 目的は原子が分極を失う前に存続できる跳ね上がりの番号を高めることです。

「コーティングの重い原子の回避によって磁気変動を減らすことは重要です」と Budker は言います。 軽いカーボンおよび水素原子の混合物は選択です; 最新式の antirelaxation のコーティングはパラフィンで処理します、アルカンとして化学的に知られていてあります。 分極された原子は分極を失う前に 10,000 回に塗るパラフィンに当ることができます。

異なったコーティングを使用して緩和時間を拡張するためにしかしセント・ピーターズバーグの Vavilov の州の光学協会の Budker そして彼の長い間の同僚 Mikhail Balabas は働きました。 一般の通念、 Balabas への反対はアルケン、かオレフィンとして知られていた炭化水素の別の種類を代わりにすることを提案しました。 アルケンは飽和するかわりにアルカンに類似していますが、分子で、 (すべての単一結束)、 1 つのカーボン二重結合があります。 研究者は」ルビジウムの蒸気セルで分極されたルビジウム原子が分極をことを失う前に百万回に塗るアルケンを離れて跳ねることができることを続いて示しました実験します。

実験の最適化

「コーティング材料分極の延長にそこにすべてありますではないです、しかし」はと Budker は言います。 「分極が失われる 1 つの方法セルの分極されたルビジウム原子がセルのルビジウムの貯蔵所 - 固体金属のしぶきを」。は含んでいるサイドスローの光沢が無い表面と接触して得るときです

Balabas は簡単なロック - 細胞集合体の回転によって、ただ、貯蔵所と原子が分極され、測定される相互作用領域間の茎を開くか、または閉じるスライドガラスのプラグ -- を案出しました。

最後に、研究者は SERF と遅らせました (「回転交換のために」、弛緩なしの呼出された技術の修正によってセルの相互作用領域の中のルビジウム原子間の衝突による) 回転の弛緩を。 農奴の物理学はウィリアム Happer によって開発され、 magnetometry にミハエル Romalis、プリンストン大学の両方によって適用されました。 農奴は普通約 150 の摂氏温度に細胞壁に使用しま、同時に逆説的にアルカリ原子間の衝突自身を当る向上して間、アルカリ原子の番号をセルを減らすのにバッファガスを熱し、そして原子蒸気の密度を増加します。

農奴は歳差運動が遅い非常に弱い磁場のためにだけ働きます。 原子が何回も歳差運動のあらゆるピリオドの間に衝突するので、多重衝突は頻繁に原子間の回転状態を交換し、平均分極を高い保ちます。 緩和時間を更に一層拡張するためには、バークレーおよび Vavilov の協会の共同は通常バッファガスの代りに 「極度の」 antirelaxation のコーティングを使用しました。

実験セットアップは Micah Ledbetter およびトドル Karaulanov によって Budker の実験室で構築され、実験区域の中の磁場の形の良い制御を維持するように設計されていました。 蒸気セルは保護された領域のまわりで磁場を回避するニッケルの mu の金属、合金および陶磁器の亜鉄酸塩のシリンダーと鉄の 4 つの層地球の磁界から保護されました。

実験アセンブリはジンバル付で従って蒸気セルは回すことができまフラスコの首をロックするか、または反作用領域にルビジウムの蒸気を可能にするためにロック解除するように滑走のプラグがします。 それから円形に分極されたポンプビームはセルを通るプローブのビームはプローブのビームの自身の線形分極がどのようにの回ったか測定によって左右にルビジウムの蒸気の回転状態を記録したが原子蒸気を分極するために実験の軸線を横断しました。

構築で異なるか、またはルビジウムの同位体で含んでいた 3 つのセルはテストされました。 セルの 2 の緩和時間は約 15 秒、既に重要な拡張でしたが、 1 つで、ルビジウムの共通の同位体を使用して、 85Rb は分にに、緩和時間伸びました。 通常の農奴セットアップと対照をなして、この非常に長い緩和時間は極度な熱の代りに室温で達成されました。

「私達は最もよいパラフィンコーティング上の、そして室温の改善 2 つの一桁を示しましたが、 - 比較的低い磁界で」と Budker は言います。 「次の挑戦地球の磁界、例えば強い使用することですより強い磁場でこの技術を - 実用化の多数が」。はあるところに、

同時に、 Budker および彼の同僚は長い緩和時間を達成するのが常であった他のトリックおよび磁気計以外装置に彼らの新しいコーティングのアプリケーションを、探索するように意図します。 候補者の間で原子時計、量のメモリデバイスおよび原子の長命の回転の分極によって同様に決まる他の科学的な小道具はあります。

Last Update: 12. January 2012 10:50

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