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Posted in | Nanomagnetics

如何编译更好的磁力仪

Published on September 14, 2010 at 7:59 PM

磁力仪进来许多形状和范围 - 普通的手持式指南针是最简单的 -,但是碱蒸气磁力仪是使用光和原子,评定磁场的超灵敏的设备。 他们可以由他们微弱的磁性签名检测考古学遗骸和矿床地下,在许多其他科学应用中。

美国能源部的研究员劳伦斯伯克利国家实验室、加州大学伯克利分校和 Vavilov 状态光学学院在圣彼德堡,俄罗斯,现在做敏感评定磁场通过维护原子的空转极化在碱蒸气磁力仪的超过 60 秒在室温 - 在此重要评定参数的二顺序大小改善在最佳的早先性能。

在蒸气细胞磁力仪,原子的人口的空转首先被对立,如表示由垂直的红色箭头,由本身圆被对立的泵激光。 当一个磁场是应用的时,空转向量被转动,如表示的是由这个被掀动的红色箭头。 (磁场是垂直的对此绘制飞机。) 探测激光的自己的平面偏振由原子的空转转动,并且程度循环被评定在这台探测器。

在原子的空转被对立的人口,更比一半原子在同一个方向被安置。 碱蒸气磁力仪对立碱性金属的原子,例如钾、铷或者铯蒸气,在玻璃细胞里面使用激光一个圆被对立的 “泵”。

由于空转的原子有磁矩 (与南北磁极,象磁铁棒),外部磁场将掀动空转轴并且造成它进动象被推进垂直的抽陀螺。 在外部场强或方向上的变化可以被检测使用探测激光重复评定蒸气的平均空转取向。

“这个评定的根本区分取决于一定数量的变量”,教授说 Dmitry 伯克利实验室的核科学分部 Budker,在加州大学伯克利分校的物理。 “这些在这个范例包括最重要原子的数量,并且,被对立的原子的空转弛豫时间”。

空转放松是极化损失,原子的人口的回归到任意取向,快速地发生,当原子与其他原子碰撞,或者,如果这个外部磁场变化。

如何保留 ` em 空转

“当一个碱性金属的原子重新启动玻璃墙时,它倾向于少许停留”, Budker 说。 “在其逗留期间它是受动摇的磁场支配,造成它丢失极化。 那么一种方式维护极化将保留远离墙壁的原子,或者使他们的逗留在墙壁上更短”。

一个途径将用象氦气或氖的惰性缓冲气体装载这个细胞,在碱原子经常碰到缓冲气体原子而不是碰撞与墙壁的密度足够高。 发生的缓慢的扩散长期保留许多远离墙壁的被对立的原子。 然而,与缓冲气体原子的冲突最终放松金属原子的极化。

一个更好的方式保留空转凝聚高将涂玻璃蒸气细胞的内部用 “antirelaxation”涂层。 这个目标是增加原子可能在丢失其极化前生存跳动的数量。

“通过避免在涂层的所有大量原子减少磁性波动是重要的”, Budker 说。 轻的碳和氢原子化合物是这个选择; 科技目前进步水平 antirelaxation 涂层是涂石蜡,通认化工作为烷。 一个被对立的原子可能击中涂上 10,000 次的石蜡在丢失其极化前。

使用不同的涂层,但是 Budker 和他的圣彼德堡的 Vavilov 状态光学学院的长期同事 Mikhail Balabas 运作扩大弛豫时间。 对传统观念, Balabas 的相反建议替代叫作烯烃或者烯烃碳氢化合物一不同的。 烯烃类似于烷,但是,而不是饱和 (所有不附条件的债券),有一个碳双键在这个分子。 研究员’试验铷蒸气细胞随后向显示一个被对立的铷原子可能重新启动烯烃涂层百万次在丢失其极化前。

优化实验

“盖层不是全部那里是对延长极化,然而”, Budker 说。 “极化丢失的一种方式是在这个细胞的被对立的铷原子获得与在细胞的铷水库 - 包含固定的金属的小滴的侧投球的未上漆的表面联系”。

Balabas 构想了简单的锁定 -,仅仅通过转动信元装配,开张或关闭在这个水库和交往区域之间的词根原子被对立并且被评定的一个滑动玻璃插件。

终于,研究员减慢了空转放松由于在铷原子中的冲突在这个细胞的交往区里面通过修改称 SERF 的技术 (为 “空转替换,放松自由 ")。 农奴物理由威廉 Happer 开发并且适用于磁测量学由迈克尔 Romalis,两个普林斯顿大学。 农奴通常使用缓冲气体使碱原子降低的数量击中细胞壁的,当同时似是而非地提高在碱原子中的冲突,加热这个细胞到大约 150 摄氏度和增加基本蒸气的密度时。

农奴为非常弱的磁场仅从事,岁差是慢的。 在岁差的所有期间因为原子碰撞许多次,多个冲突频繁地交换在原子中的旋转状态并且保持平均极化高。 更远要扩大弛豫时间,伯克利和 Vavilov 学院协作使用他们的 “超级” antirelaxation 涂层而不是通常缓冲气体。

这个实验设置在 Budker 的实验室被建立了由 Micah Ledbetter 和托多尔 Karaulanov 和被设计维护对磁场形状的细致的控制在这个实验房间里面的。 蒸气细胞被保护了免受地球的磁场由在被保护的区附近转轨磁场 mu 金属、合金镍和铁的四块层,加上陶瓷纯铁磁道。

实验集合装有万向接头,因此蒸气细胞可能被转动,让下滑的插件锁定烧瓶的脖子或打开它允许铷蒸气到回应区域。 然后一条圆被对立的泵射线横断这个实验的轴对立基本蒸气,而穿过这个细胞的探测射线通过评定探测射线的自己的线极化如何从一边到另一边记录了铷蒸气的旋转状态被转动了。

三个细胞被测试了,在建筑有所不同或者或在铷同位素他们包含。 弛豫时间在二细胞中是大约 15 秒,已经一个重大的扩展名,使用铷,最公用的同位素,但是在一个, 85Rb,弛豫时间舒展了对在一分钟。 与通常农奴设置对比,此非常久弛豫时间达到在室温而不是极其热。

“我们展示了二个数量级改善在最佳的石蜡涂层和在室温 -,但是在一个相对地低磁场”, Budker 说。 例如, “下个挑战是使用此技术在更加严格的磁场 - 一样严格象地球的磁场其中许多实际应用”。

同时,他们曾经达到久弛豫时间除磁力仪之外的 Budker 和他的同事打算测试他们新的涂层的应用和其他窍门,到设备。 在候选人中是原子钟、数量存储设备和同样取决于原子的长寿的空转极化的其他科学小配件。

Last Update: 12. January 2012 09:57

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