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Como Construir Um Magnetômetro Melhor

Published on September 14, 2010 at 7:59 PM

Os Magnetômetros vêm em muitos formas e tamanhos - um compasso à mão ordinário são os mais simples - mas os magnetômetros do alcalóide-vapor são os dispositivos exteis-sensível que medem campo magnèticos usando a luz e os átomos. Podem detectar sobras arqueológicos e depósitos minerais no subsolo por suas assinaturas magnéticas fracas, entre um anfitrião de outras aplicações científicas.

Os Pesquisadores do Ministério de E.U. do Laboratório Nacional do Lawrence Berkeley da Energia, da Universidade Da California em Berkeley, e do Instituto Óptico do Estado de Vavilov em St Petersburg, Rússia, têm feito agora medidas sensíveis dos campo magnèticos mantendo a polarização dos átomos em um magnetômetro do alcalóide-vapor por mais de 60 segundos na temperatura ambiente - uma melhoria da rotação do dois-pedido--valor neste parâmetro importante da medida sobre o melhor desempenho precedente.

Em um magnetômetro da vapor-pilha, a rotação de uma população dos átomos é polarizada primeiramente, como indicado pela seta vermelha vertical, por um laser que próprio da bomba seja polarizado circular. Quando um campo magnético é aplicado, o vector da rotação está girado, como indicado pela seta vermelha inclinada. (O campo magnético é perpendicular ao plano deste diagrama.) Própria polarização plana do laser da ponta de prova é girada pela rotação do átomo, e o grau de rotação é medido no detector.

Em uma população rotação-polarizada dos átomos, mais do que a metade dos átomos são orientados no mesmo sentido. Um magnetômetro do alcalóide-vapor polariza um vapor dos átomos alcalinos, por exemplo potássio, rubídio, ou césio, dentro de uma pilha de vidro usando um raio laser circular-polarizado da “bomba”.

Porque os átomos de giro têm um momento magnético (com os pólos magnéticos do Norte e Sul, como um ímã de barra), um campo magnético da parte externa inclinará a linha central da rotação e fará com que precess como uma parte superior de giro que seja empurrada fora do vertical. As Mudanças na força ou no sentido exterior de campo podem ser detectadas usar um laser da ponta de prova para medir repetidamente a orientação média da rotação do vapor.

“A sensibilidade fundamental da medida depende de um número de variáveis,” diz Dmitry Budker da Divisão de Ciência Nuclear do Laboratório de Berkeley, um professor da física em Uc Berkeley. “Estes incluem o número de átomos na amostra e, o mais importante, a época de abrandamento da rotação dos átomos polarizados.”

O abrandamento da Rotação é a perda de polarização, o retorno da população dos átomos às orientações aleatórias, que acontece mais rapidamente enquanto os átomos colidem com outros átomos, ou se o campo magnético externo varia.

Como manter o giro do em do `

“Quando um átomo alcalino salta fora de uma parede de vidro, tende a colar por um tempo,” diz Budker. “Durante sua estada é sujeito aos campo magnèticos de flutuação, que fazem com que perca a polarização. Tão uma maneira de manter a polarização é manter os átomos longe da parede, ou fazer suas permanências passageiras na parede mais curtos.”

Uma aproximação é encher a pilha com um gás inerte do amortecedor como o hélio ou o néon, em uma densidade altamente bastante que os átomos do alcalóide colidam constantemente nos átomos do gás do amortecedor em vez do colisão com as paredes. A difusão lenta resultante mantem muitos dos átomos polarizados longe da parede por muito tempo. Não Obstante, as colisões com os átomos do gás do amortecedor relaxam eventualmente a polarização dos átomos do metal.

Uma maneira melhor de manter a elevação da coerência da rotação é revestir o interior da pilha de vidro do vapor com um revestimento do “antirelaxation”. O objetivo é aumentar o número de saltos que um átomo pode sobreviver antes de perder sua polarização.

“É importante reduzir flutuações magnéticas evitando todos os átomos pesados no revestimento,” Budker diz. Os Compostos de átomos claros do carbono e de hidrogênio são a escolha; os revestimentos avançados do antirelaxation são parafinam, sabido quimicamente como alkanes. Um átomo polarizado pode bater uma parafina que reveste 10.000 vezes antes de perder sua polarização.

Mas Budker e seu colega velho Mikhail Balabas do Instituto Óptico do Estado do Vavilov de St Petersburg trabalharam para estender tempos de abrandamento usando revestimentos diferentes. O Contrário à sabedoria popular, Balabas sugeriu substituir um tipo diferente do hidrocarboneto conhecido como um alkene, ou o olefin. Os Alkenes são similares aos alkanes mas, em vez da saturação (todas as únicas ligações), têm uma ligação dobro do carbono na molécula. Os pesquisadores' experimentam com as pilhas do vapor do rubídio mostraram subseqüentemente que um átomo polarizado do rubídio poderia saltar fora de um alkene que reveste milhão vezes antes de perder sua polarização.

ajustando a experiência

“Todo O material de revestimento não é lá é a prolongar a polarização, contudo,” Budker diz. “Uma maneira que a polarização é perdida é quando os átomos polarizados do rubídio na pilha obtêm em contacto com superfícies sem revestimento no reservatório do rubídio da pilha - o sidearm que contem uma gota do metal contínuo.”

Balabas planejou um fechamento simples - uma tomada do vidro de deslizamento que, meramente girando o conjunto de pilha, abrisse ou fechasse a haste entre o reservatório e a região da interacção onde os átomos são polarizados e medidos.

Finalmente, os pesquisadores retardaram o abrandamento da rotação devido às colisões entre os átomos do rubídio dentro da área da interacção da pilha alterando uma técnica chamada SERVO (para da “a troca rotação, abrandamento-livre "). A física do SERVO foi desenvolvida por William Happer e aplicada à magnetometria por Michael Romalis, ambos a Universidade de Princeton. O SERVO usa normalmente o gás do amortecedor para reduzir o número de átomos do alcalóide que batem a parede de pilha, ao ao mesmo tempo paradoxal intensificar as colisões entre os átomos do alcalóide elas mesmas, ao aquecer a pilha a uns 150 graus Célsio e ao aumentar a densidade do vapor atômico.

O SERVO trabalha somente para os campo magnèticos muito fracos, onde a precessão é lenta. Desde Que os átomos colidem muitas vezes durante todo o período de precessão, as colisões múltiplas freqüentemente trocam estados de rotação entre os átomos e mantêm a polarização média alta. Para estender ainda mais o tempo de abrandamento, o Berkeley e a colaboração do Instituto de Vavilov usaram seu revestimento “super” do antirelaxation em vez do gás usual do amortecedor.

A instalação experimental foi construída no laboratório de Budker por Micah Ledbetter e por Todor Karaulanov, e projectada manter o controle fino sobre a forma dos campo magnèticos dentro da câmara experimental. A pilha do vapor foi protegida do campo magnético da Terra por quatro camadas de metal da MU, de uma liga do níquel e de ferro que desvia campo magnèticos em torno da área protegida, mais um cilindro da ferrite cerâmica.

O conjunto experimental era gimbaled assim que a pilha do vapor poderia ser girada, deixando a tomada deslizante travar o pescoço da garrafa ou destravá-lo para permitir o vapor do rubídio na região da reacção. Então um feixe circular polarizado da bomba atravessou a linha central da experiência para polarizar o vapor atômico, quando um feixe da ponta de prova que passa através da pilha gravou dum lado ao outro o estado de rotação do vapor do rubídio medindo como própria polarização linear do feixe da ponta de prova foi girada.

Três pilhas foram testadas, que diferiram ou na construção ou nos isótopos do rubídio contiveram. Os tempos de Abrandamento em duas das pilhas eram aproximadamente 15 segundos, já uma extensão significativa, mas em uma, usando o isótopo o mais comum do rubídio, 85Rb, o tempo de abrandamento esticado sobre a uma acta. Em contraste com a instalação usual do SERVO, este tempo de abrandamento muito longo foi conseguido na temperatura ambiente em vez do calor extremo.

“Nós demonstramos uma melhoria de dois ordens de grandeza sobre os melhores revestimentos da parafina, e na temperatura ambiente - mas em um campo magnético relativamente baixo,” Budker diz. “O desafio seguinte é usar esta técnica em uns campo magnèticos mais fortes - tão fortes quanto o campo magnético da Terra, por exemplo, onde muitas das aplicações práticas estão.”

Ao mesmo tempo, Budker e seus colegas pretendem explorar a aplicação de seus revestimentos novos, e os outros truques que se usou para conseguir tempos de abrandamento longos, aos dispositivos diferentes dos magnetômetros. Entre os candidatos são os relógios atómicos, os dispositivos de memória do quantum, e outros dispositivos científicos que dependem do mesmo modo da polarização duradouro da rotação dos átomos.

Last Update: 12. January 2012 10:58

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