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

Как построить Лучше Магнитометр

Published on September 14, 2010 at 7:59 PM

Магнитометры бывают разных форм и размеров - обычный ручной компас является самым простым - но щелочных паров магнитометры extrasensitive устройства, которые измеряют магнитное поле с помощью света и атомов. Они могут обнаружить археологические находки и месторождения полезных ископаемых подземным их слабые магнитные подписей, среди множества других научных приложений.

Ученые из департамента США Лоуренса в Беркли энергетики Национальной лаборатории , Калифорнийский университет в Беркли и Государственный оптический институт в Санкт-Петербурге, Россия, в настоящее время сделаны чувствительные измерения магнитных полей за счет сохранения спиновой поляризации атомов щелочных пара магнитометр для более 60 секунд при комнатной температуре - две заказов из-величины улучшение этот важный параметр измерения над лучшими предыдущие работы.

В пара-клеточной магнитометр, спина населения атомов первой поляризованным, о чем свидетельствует вертикальная красная стрелка, от лазера накачки, которая сама циркулярно поляризованным. Когда магнитное поле, вектор спина вращается, как показывает наклон красной стрелкой. (Магнитное поле перпендикулярно к плоскости этой диаграмме.) Собственной плоскости поляризации зондирующего лазерного излучения является вращение спина атома, и угол поворота измеряется в детектор.

В спин-поляризованных атомов населения, более половины атомов ориентированы в одном направлении. Щелочных паров магнитометр поляризует пары атомов щелочных металлов, например, калия, рубидия или цезия, внутри стеклянной ячейки с помощью циркулярно-поляризованным "насос" лазерного луча.

Потому что спиннинг атомы обладают магнитным моментом (с северный и южный магнитные полюса, как стержневого магнита), за пределами магнитного поля будет наклона оси вращения и привести к ее прецессировать, как волчок, который был оттолкнулся вертикальной. Изменения в силу за пределами поля или направления могут быть обнаружены с помощью зонда лазерного неоднократно мерой средней ориентации спинов в парах.

"Фундаментальные чувствительности измерений зависит от числа переменных", говорит Дмитрий Будкера ядерного отдела науки Лаборатории Беркли, профессор физики в Калифорнийском университете в Беркли. "Среди них число атомов в образце и, самое главное, время релаксации спина поляризованных атомов".

Спиновая релаксация является потеря поляризации, возвращение населения атомов случайным ориентации, что происходит быстрее, так как атомы сталкиваются с другими атомами, или, если внешнее магнитное поле меняется.

Как сохранить 'Em спиннинг

"Когда атома щелочного металла отражается от стеклянной стеной, он стремится придерживаться на некоторое время", говорит Г. И. Будкера. "Во время своего пребывания он подлежит колебания магнитных полей, которые приводят к потере поляризации. Так один из способов поддержания поляризации является сохранение атомов от стены, или сделать их пребывании на стене короче. "

Один из подходов заключается, чтобы заполнить ячейки с инертным буферным газом, как гелий или неон, на плотность достаточно высока, что атомы щелочных постоянно врезаются в атомах буферного газа, а не столкновения со стенами. В результате медленной диффузии сохраняет многие из поляризованных атомов от стены в течение длительного времени. Тем не менее, столкновения с атомами буферного газа, в конечном счете ослабить поляризацию атомов металла.

Лучший способ сохранить спиновой когерентности высок, чтобы покрыть внутрь клетки стекло пара с "antirelaxation" покрытие. Целью является увеличение числа отказов атом может выжить, прежде чем потерять его поляризации.

"Важно, чтобы уменьшить магнитные флуктуации, избегая каких-либо тяжелых атомов в покрытии," Будкер говорит. Соединения света атомами углерода и водорода являются выбор; состоянии современных покрытий antirelaxation являются парафины, известный химически как алканы. Поляризованный атом может попасть парафиновые покрытия 10000 раз, прежде чем потерять его поляризации.

Но Будкер и его давний коллега Михаил Балабас Вавилова государства Санкт-Петербурга оптическом институте работали, чтобы продлить время релаксации с использованием различных покрытий. Вопреки общепринятому мнению, Балабас предложил заменить различные виды углеводородного известный как алкена или олефинов. Алкены похожи на алканов, но, вместо того чтобы быть насыщенным (все одной облигации), имеют одну углеродную двойную связь в молекуле. Эксперименты исследователей с рубидия клетки пара впоследствии показал, что поляризованный атом рубидия может отскочить алкена покрытие миллион раз, прежде чем потерять его поляризации.

Тонкая настройка эксперимента

"Материал покрытия не все, что нужно продлить поляризации, однако," Будкер говорит. "Один из способов поляризации теряется, когда поляризованных атомов рубидия в ячейке войти в контакт с непокрытой поверхности в рубидия ячейки водохранилище -. Пистолет, который содержит каплю твердого металла"

Балабас разработали простой замок - раздвижные стеклянные плагин, что, лишь поворотом ячейки собрания, открывает или закрывает стволовых между резервуаром и области взаимодействия, где атомы поляризуются и измерить.

Наконец, исследователи замедлился релаксации спина из-за столкновений между атомов рубидия в области взаимодействия ячейки путем изменения метода, называемого крепостного (для "спинового обмена, отдыха, свободного"). Физика крепостного были разработаны Уильям Happer и применяется к магнитометрии Майклом Romalis, оба из Принстонского университета. Крепостной обычно использует буферный газ для уменьшения числа атомов щелочных удара клеточной стенки, и в то же время парадоксальным активизация столкновений между атомами щелочных себя, отопление ячейки около 150 градусов Цельсия и увеличение плотности атомного пара.

Крепостной работает только для очень слабых магнитных полей, где прецессии медленно. Поскольку атомы сталкиваются много раз в течение любого периода прецессии, многократных столкновений часто обмениваются спиновых состояний между атомами и держать средняя поляризация высока. Чтобы продлить время релаксации еще дальше, сотрудничество Беркли и Институт Вавилова использовали свой "супер" antirelaxation покрытием вместо обычного буферного газа.

Экспериментальная установка была построена в лаборатории Будкера Мика Ледбеттер и Тодор Karaulanov, и была разработана, чтобы поддерживать хороший контроль над формой магнитного поля внутри экспериментальной камере. Ячейке паров экранированные от магнитного поля Земли на четыре слоя мю металла, сплава никеля и железа, что шунты магнитные поля вокруг защищаемой области, а также цилиндра керамического феррита.

Экспериментальная сборка карданном подвесе так клетка пара могла вращаться, позволяя подключить блокировки скользящих горлышко фляги или разблокировать его, чтобы парах рубидия в зоне реакции. Затем циркулярно поляризованный пучок накачки пройденный оси эксперимента для поляризации атомного пара, в то время пробного пучка, проходящего через ячейку из стороны в сторону, записанные спиновое состояние парах рубидия при измерении как собственные линейной поляризации зондирующего пучка было вращать.

Три клетки испытывали, которые отличались как в строительстве или в рубидия изотопов в них содержится. Времена релаксации в двух из клетки около 15 секунд, уже значительное расширение, но в одном, с использованием наиболее распространенных изотопов рубидия, 85Rb, время релаксации растягивается более чем на минуту. В отличие от обычных крепостного установок, это очень долгое время релаксации было достигнуто при комнатной температуре, а не высокие температуры.

"Мы показали, на два порядка лучше, чем лучшее покрытие парафин, и при комнатной температуре, - но в относительно слабом магнитном поле", говорит Г. И. Будкера. "Следующая задача заключается в использовании этой техники в более сильных магнитных полей -. Так сильны, как магнитное поле Земли, например, где многие из практических приложений"

В то же время, Г. И. Будкера и его коллеги намерены изучить применение своего нового покрытия, и другие приемы, они используются для достижения больших времен релаксации, для устройств, кроме магнитометры. Среди кандидатов атомных часов, приборов квантовой памяти и других научных гаджетов, которые также зависят от долгоживущих спиновой поляризации атомов.

Last Update: 4. October 2011 06:37

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