Site Sponsors
  • Oxford Instruments Nanoanalysis - X-Max Large Area Analytical EDS SDD
  • Strem Chemicals - Nanomaterials for R&D
  • Park Systems - Manufacturer of a complete range of AFM solutions
Posted in | Nanomagnetics

Hoe je een betere Magnetometer Build

Published on September 14, 2010 at 7:59 PM

Magnetometers zijn er in vele soorten en maten - een gewone hand-held kompas is de eenvoudigste - maar alkali-damp magnetometers zijn extrasensitive apparaten die magnetische velden met behulp van licht en atomen te meten. Ze kunnen detecteren archeologische resten en minerale afzettingen ondergrondse door hun zwakke magnetische handtekening onder een tal van andere wetenschappelijke toepassingen.

Onderzoekers van het Amerikaanse ministerie van Energie van de Lawrence Berkeley National Laboratory , de Universiteit van Californië in Berkeley, en de Vavilov staat Optical Institute in St. Petersburg, Rusland, hebben nu gevoelige metingen van magnetische velden door het behoud van de spin polarisatie van atomen in een alkali -damp-magnetometer voor meer dan 60 seconden bij kamertemperatuur - een twee-orders van grootte van de verbetering in deze belangrijke parameter meting over de beste vorige prestaties.

In een damp-cel magnetometer, de spin van een populatie van atomen wordt eerst gepolariseerd, zoals aangegeven door de verticale rode pijl, door een pomp laser die zelf circulair gepolariseerd. Wanneer een magnetisch veld wordt toegepast, de spin vector is gedraaid, zoals aangegeven door de gekantelde rode pijl. (Het magnetische veld is loodrecht op het vlak van dit diagram.) Eigen vliegtuig De sonde laser polarisatie wordt gedraaid door spin van het atoom, en de mate van rotatie wordt gemeten op de detector.

In een spin-gepolariseerde bevolking van atomen, meer dan de helft van de atomen zijn georiënteerd in dezelfde richting. Een alkali-damp-magnetometer polariseert een damp van alkali-metaal atomen, bijvoorbeeld kalium, rubidium, cesium of, in een glazen cel met behulp van een circulair gepolariseerde "pomp" laser beam.

Omdat de draaiende atomen hebben een magnetisch moment (met noord en zuid magnetische polen, als een magneet bar), zal een externe magnetisch veld kanteling van de as van spin en veroorzaken een precessie als een tol die is geduwd van de verticale. Veranderingen in sterkte de buitenkant veld of richting kan worden gedetecteerd met behulp van een sonde laser herhaaldelijk meten gemiddeld draaien de damp van de oriëntatie.

"De fundamentele gevoeligheid van de meting is afhankelijk van een aantal variabelen," zegt Dmitry Budker van Nuclear Science Division Berkeley Lab, een hoogleraar natuurkunde aan de UC Berkeley. "Deze omvatten het aantal atomen in het monster en, het allerbelangrijkste, de spin relaxatietijd van de gepolariseerde atomen."

Spin ontspanning is het verlies van polarisatie, de terugkeer van de bevolking van atomen om willekeurige oriëntaties, wat gebeurt sneller als atomen botsen met andere atomen, of als de externe magnetische veld varieert.

Hoe hou je 'em draaien

"Wanneer een alkali-metaal-atoom stuitert een glazen wand, heeft het de neiging om vast te houden voor een tijdje," zegt Budker. "Tijdens zijn verblijf onderworpen is aan wisselende magnetische velden, die ervoor zorgen dat tot polarisatie te verliezen. Dus een manier om de polarisatie te handhaven is om de atomen weg te houden van de muur, of om hun verblijft te maken op de muur korter. "

Een benadering is om de cel te vullen met een inert gas buffer, zoals helium of neon, met een dichtheid hoog genoeg dat de alkali-atomen in plaats daarvan voortdurend botsen de buffer gas atomen van de botsing met de wanden. De resulterende trage verspreiding houdt veel van de gepolariseerde atomen uit de buurt van de muur voor een lange tijd. Toch, botsingen met de buffer gas atomen uiteindelijk ontspannen de polarisatie van de metaalatomen.

Een betere manier om spin coherentie hoog te houden is het bekleden van de binnenkant van het glas damp cel met een "antirelaxation" coating. Het doel is om het aantal weigeringen een atoom kan overleven verhogen verloor de polarisatie.

"Het is belangrijk om magnetische schommelingen te verminderen door het vermijden van een zware atomen in de coating," Budker zegt. Verbindingen van lichte koolstof-en waterstofatomen zijn de keuze; state-of-the-art antirelaxation coatings zijn paraffines, die bekend staat als chemisch alkanen. Een gepolariseerde atoom kan raken een paraffine coating 10.000 keer verloor de polarisatie.

Maar Budker en zijn lange tijd collega Mikhail Balabas van Sint-Petersburg Vavilov staat Optical Institute hebben gewerkt aan ontspanning keren met verschillende coatings uit te breiden. In tegenstelling tot de conventionele wijsheid, Balabas stelde vervangen door een ander soort van koolwaterstof bekend als een alkeen, of olefine. Alkenen zijn vergelijkbaar met alkanen, maar in plaats van verzadigde (alle enkele bindingen), hebben een koolstof dubbele binding in het molecuul. De onderzoekers experimenten met rubidium damp cellen vervolgens toonde aan dat een gepolariseerde rubidium atoom kan stuiteren een alkeen bekleden van een miljoen keer verloor de polarisatie.

Fine-tuning van het experiment

"De coating materiaal is niet alles wat er te verlengen polarisatie, echter," Budker zegt. "Een manier polarisatie gaat verloren wanneer gepolariseerd rubidium atomen in de cel in contact te komen met ongestreken oppervlakken in rubidium van de cel reservoir -. Sidearm dat het een druppel van de massief metalen bevat"

Balabas bedacht een eenvoudig slot - een glazen schuifpui plug die, enkel door het draaien van de cel montage, opent of sluit de stengel tussen het reservoir en de interactie regio waar de atomen zijn gepolariseerd en gemeten.

Tot slot, de onderzoekers vertraagd spin relaxatietijd als gevolg van botsingen tussen de rubidium atomen in de interactie tussen oppervlakte van de cel door het wijzigen van een techniek genaamd SERF (voor de 'spin-uitwisseling, ontspanning-vrij "). De fysica van SERF werden ontwikkeld door William Happer en toegepast op magnetometrie door Michael Romalis, zowel van de Princeton University. SERF gebruikt normaliter buffer gas om het aantal van alkali atomen raken van de celwand te verminderen, terwijl op hetzelfde moment paradoxaal intensivering van botsingen tussen de alkali-atomen zelf, het verwarmen van de cel tot ongeveer 150 graden Celsius en het verhogen van de dichtheid van de atomaire-damp.

SERF werkt alleen voor zeer zwakke magnetische velden, waar de precessie is traag. Omdat atomen botsen vele malen gedurende een periode van de precessie, de meervoudige botsingen veelvuldig wisselen spintoestanden tussen de atomen en houdt de gemiddelde polarisatie hoog. Ter uitbreiding van de relaxatietijd nog verder, de Berkeley en Vavilov Instituut samenwerking gebruik gemaakt van hun "super" antirelaxation coating in plaats van de gebruikelijke buffer gas.

De experimentele opstelling werd gebouwd in het laboratorium Budker's door Micah Ledbetter en Todor Karaulanov, en is ontworpen om precieze controle over de vorm van magnetische velden in de experimentele kamer te houden. De damp cel werd afgeschermd van magnetische veld van de aarde door vier lagen van mu metaal, een legering van nikkel en ijzer die magnetische velden rond de afgeschermde ruimte shunts, plus een cilinder van keramische ferriet.

De experimentele vergadering was cardanisch, zodat de damp cel kon worden gedraaid, zodat de glijdende plug slot de hals van de kolf of ontgrendelen naar rubidium damp toe in de reactie regio. Dan is een circulair gepolariseerde pomp bundel doorkruist de as van het experiment om de atomaire-damp-polariseren, terwijl een probe lichtbundel die door de cel van links naar rechts opgenomen de spintoestand van de rubidium damp door te meten hoe de sonde bundel eigen lineaire polarisatie werd gedraaid.

Drie cellen werden getest, die verschilden zowel in de bouw of in de rubidium isotopen die zij bevatten. Relaxatietijden in twee van de cellen werden ongeveer 15 seconden, al een aanzienlijke uitbreiding, maar in een, met behulp van de meest voorkomende isotoop van rubidium, 85Rb, de ontspanning tijd uitgerekt tot meer dan een minuut. In tegenstelling tot de gebruikelijke SERF setup, was deze zeer lange tijd rust bereikt bij kamertemperatuur in plaats van extreme hitte.

"We hebben aangetoond twee ordes van grootte verbetering ten opzichte van de beste paraffine coatings, en bij kamertemperatuur - maar op een relatief laag magnetisch veld," Budker zegt. "De volgende uitdaging is het gebruik van deze techniek in sterkere magnetische velden -. Zo sterk als het magnetisch veld van de aarde, bijvoorbeeld, waar veel van de praktische toepassingen zijn"

Op hetzelfde moment, Budker en zijn collega's van plan om de toepassing van hun nieuwe coatings, en de andere trucs ze gebruikt om lange relaxatietijd te bereiken, met andere apparaten dan de magnetometers te verkennen. Onder de kandidaten zijn atoomklokken, quantum geheugen apparaten en andere wetenschappelijke gadgets die ook afhankelijk zijn van een lange levensduur spinpolarisatie van atomen.

Last Update: 8. October 2011 01:31

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