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Posted in | Nanomagnetics

如何建立一個更美好的磁強計

Published on September 14, 2010 at 7:59 PM

來在許多形狀和大小的磁強計 - 一個普通的手持式指南針是最簡單的 - 但鹼蒸汽磁力計 extrasensitive設備,利用光與原子的磁場測量。他們可以檢測其微弱的磁性簽名的考古遺跡​​和地下礦藏,其中一個主機的其他科學應用。

美國能源部下屬的勞倫斯伯克利國家實驗室 ,加州大學伯克利分校,並在俄羅斯聖彼得堡,瓦維洛夫國家光學研究所,研究人員現在已經維持在鹼性原子的自旋極化磁場敏感的測量蒸汽磁力儀在室溫下超過 60秒 - 兩個訂單的數量級比以前最好的性能在這重要的測量參數的改善。

蒸汽細胞的磁強計,人口原子的自旋是第一個極化,垂直的紅色箭頭表示,由泵激光本身就是圓偏振光。當磁場,旋轉向量旋轉,傾斜的紅色箭頭表示。 (垂直磁場是此圖的平面。)自己的飛機探測激光的偏振是由原子的自旋旋轉,在探測器測量和旋轉程度。

在一個原子的自旋極化的人口中,一半以上的原子都面向同一方向。鹼蒸汽磁力極化鹼金屬原子蒸氣,例如鉀,銣,銫,使用一個圓極化的“泵”激光束在玻璃細胞。

由於紡紗原子磁矩(與南北磁極,如磁棒),外磁場旋轉軸傾斜,並導致它的推垂直像陀螺進動。外場的強度或方向的變化,可以檢測到使用探針激光反复測量蒸汽的平均自旋方向。

“根本的測量靈敏度取決於一些變數,說:”德米特里Budker伯克利實驗室的核科學事業部,在加州大學伯克利分校的物理學教授。 “這些措施包括樣品中的原子數,最重要的是,極化原子的自旋弛豫時間。”

自旋弛豫極化損失,人口的原子返回隨機取向,發生更快,因為原子與其他原子發生碰撞,或如果外部磁場變化。

如何保持“紡

“鹼金屬原子離玻璃牆反彈時,往往堅持一小會兒,說:”Budker。 “訪問期間,它是受波動的磁場,導致它失去兩極分化。所以保持兩極分化的一種方式,是保持原子離牆壁較短,或使他們的逗留。“

一種方法是氦或氖等惰性緩衝氣體,在密度足夠高,鹼金屬原子不斷地撞到緩衝氣體原子與牆壁碰撞,而不是,以填補細胞。使許多極化原子離牆很長一段時間的緩慢擴散。然而,與緩衝氣體原子碰撞,最終放鬆的金屬原子的極化。

一個更好的方式來保持高自旋相干塗層“antirelaxation”塗層的玻璃蒸氣細胞內部。我們的目標是增加前失去其偏振的一個原子可以生存的反彈。

Budker說:“重要的是要避免在塗層中的任何重原子的磁波動減少,”。輕的碳原子和氫原子的化合物的選擇; antirelaxation國家的最先進的塗料,化學烷烴的石蠟。有極性的原子失去其極化可以打10000次,前一個石蠟塗層。

但Budker和他的長期同事米哈伊爾 Balabas聖彼得堡的瓦維洛夫國家光學研究所一直在努力延長鬆弛時間使用不同的塗層。與傳統智慧相反,Balabas建議代以不同的烴稱為烯烴,或烯烴的。烯烴烷烴類似,但飽和(所有單債券),而不是有一個碳雙鍵的分子。隨後銣蒸汽細胞研究人員的實驗表明,極化的銣原子可以彈開烯烴塗料一百萬次,前失去其極化。

微調的實驗

“塗層材料是不是所有有延長極化,然而,”Budker說。 “極化丟失的方法之一是,當在細胞極化的銣原子與無塗層表面細胞的銣水庫的接觸 - 包含一個固體金屬液滴的手槍。”

Balabas設計了一個簡單的鎖 - 滑動玻璃塞,僅僅通過旋轉的電池組裝,打開或關閉之間的水庫和極化和測量原子的相互作用地區的幹。

最後,研究人員減緩細胞的相互作用區域內的銣原子間自旋弛豫因碰撞,通過修改所謂農奴制的一種技術(“自旋交換,放寬無”)。農奴的物理特性是由威廉Happer由邁克爾 Romalis,普林斯頓大學的磁學和應用。農奴通常使用緩衝氣體,以減少擊中細胞壁的鹼金屬原子的數目,而在矛盾的同時加緊鹼金屬原子之間的碰撞,加熱到大約 150攝氏度的細胞和原子蒸氣的密度增加。

農奴只適用於非常微弱的磁場,是緩慢的歲差。由於原子在任何時期的歲差,多次碰撞頻繁交換自旋原子之間的碰撞多次,並保持平均極化高。為了進一步延長鬆弛時間,大學伯克利分校和瓦維洛夫研究所合作,用他們的“超級”antirelaxation塗料,而不是通常的緩衝氣體。

米迦萊德貝特和托多爾 Karaulanov建在Budker的實驗室實驗裝置,並保持在磁場內的實驗室的形狀的精細控制。由四層金屬萬畝,分流磁場屏蔽周圍地區的鎳和鐵的合金,加上鐵氧體陶瓷缸,蒸汽細胞是從地球的磁場屏蔽。

實驗大會 gimbaled使蒸氣單元可以旋轉,讓滑動插鎖燒瓶的頸部或解鎖,讓銣蒸汽進入反應區。然後一個圓偏振光泵束走過實驗,以分化的原子蒸氣軸,而一個探頭束穿過細胞向兩邊記錄測量怎樣的探測光束的自己的線性偏振被旋轉的的銣蒸汽自旋狀態。

三個單元進行了測試,無論是在建設或在它們所含的銣同位素不同。在兩個細胞的弛豫時間約 15秒,已經是一個顯著的擴展,但於一體,採用最常見的同位素銣 85Rb,鬆弛時間拉長到一分多鐘。相反,通常的農奴設置,這很長的鬆弛時間實現在室溫下,而不是極端高溫。

“我們已經證明過的最好的石蠟塗層兩個數量級的改善,並在室溫下 - 但在一個相對較低的磁場,”Budker說。 “下一個挑戰是,使用這種技術 - 在強磁場,如地球的磁場強,例如,在許多實際應用”

與此同時,Budker和他的同事們打算探索新塗料的應用程序,和他們實現長期的弛豫時間,其他的設備,比磁強計的其他技巧。在候選人中原子鐘,量子記憶體裝置,和其他同樣依賴於長壽命的原子的自旋極化的科學小玩意。

Last Update: 13. October 2011 02:13

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