세르프

스핀 교환 이완 프리(SERF) 자력계는 2000년대 초 프린스턴 대학에서 개발한 자력계의 일종이다. SERF 자기계측기는 레이저를 사용하여 자기장을 측정하여 증기의 알칼리 금속 원자와 자기장 사이의 상호작용을 탐지한다.

이 기법의 명칭은 보통 원자 스핀의 방향을 혼란스럽게 하는 메커니즘인 스핀 교환 이완이 이러한 자력계에서 회피된다는 사실에서 유래한다. 이것은 칼륨 원자의 높은 밀도(10¹⁴ cm⁻³)와 매우 낮은 자기장을 사용함으로써 이루어진다. 이러한 조건에서 원자는 자기장의 전처리 주파수에 비해 스핀을 빠르게 교환하여 평균 스핀이 장과 상호작용하고 디코오션에 의해 파괴되지 않도록 한다.^[1]

SERF 자력계는 0에 가까운 자기장에서 처리되는 알칼리 금속 원자의 고밀도 증기를 감시함으로써 매우 높은 자기장 민감도를 달성한다.^[2] SERF 자력계의 감도는 알칼리 금속 원자 사이의 스핀 교환 충돌에 의한 원자 스핀 디코착의 지배적인 원인을 제거함으로써 전통적인 원자 자력계에 의해 향상된다. SERF 자기장계는 가장 민감한 자기장 센서 중 하나이며, 경우에 따라 동일한 크기의 SQUID 검출기의 성능을 초과하는 경우도 있다. 칼륨 증기가 함유된 1cm³ 체적의 작은 유리셀은 1fT/㎥Hz의 감도를 보고했으며, 이론적으로 더 큰 부피로 더 민감해질 수 있다.^[3] 이들은 자기장의 세 가지 성분을 동시에 측정할 수 있는 벡터 자기계다.^{[citation needed]}

스핀 교환 완화

스핀 교환 충돌은 원자 충돌 쌍의 총 각도 모멘텀을 보존하지만 원자의 초미세 상태를 파괴할 수 있다. 서로 다른 초미세 상태의 원자는 일관적으로 처리되지 않아 원자의 일관성을 제한한다. 그러나 스핀 교환 충돌로 인한 소멸은 원자의 전처리 주파수보다 스핀 교환 충돌이 훨씬 더 빨리 일어난다면 거의 제거할 수 있다. 빠른 스핀 교환의 이 체제에서는 앙상블의 모든 원자가 급속도로 초미세 상태를 변화시켜 각 초미세 상태에서 동일한 시간을 소비하고 스핀 앙상블이 더 느리지만 일관성을 유지하도록 한다. 소위 SERF 체제는 알칼리 금속 밀도가 충분히 높고(높은 온도에서) 충분히 낮은 자기장에서 작동함으로써 도달할 수 있다.^[4]

자기장이 존재하는 곳에서 색전처리(color precessing)로 표시된 알칼리 금속 원자는 스핀 교환 충돌을 경험해 총각운동량은 보존하지만 초미세 상태를 변화시켜 원자가 반대 방향으로 전처리되고 디코어(decohere)하게 된다.

자기장이 존재하는 상태에서 색전 전처리(color precessing)로 지시되는 초미세 상태의 스핀 교환 완화(SERF) 체계의 알칼리 금속 원자는 두 개의 스핀 교환 충돌을 연속적으로 경험하여 총 각운동량은 보존하지만 초미세 상태를 변화시켜 원자가 반대 방향으로만 전처리되도록 한다.두 번째 스핀 교환 충돌 전에 원자는 원래의 초미세 상태로 되돌아간다.

느린 스핀 교환을 경험하는 분극성이 낮은 원자에 대한 $R_{se}$ 스핀 교환 $R_{se}$ R $R_{se}$ e ${\$ 는 다음과 같이 표현할 수 있다.^[4]

R_{se}={\frac {1}{1}{2\pi T_{se}}}\왼쪽({\frac {2I-1){3(2I+1)^{2}}}\오른쪽)

여기서 $T_{se}$ $T_{se}$ $T_{se}$ ${\$ 는 $T_{{se}}$ 스핀 교환 충돌 사이의 시간, I $I$ 은 $I$ 핵 스핀, nuclear ${\displaystyle\nu$ }은 $\nu$ 자기 $\nu$ 공명 주파수, , $\gamma _{e}$ ${\$ 는 전자에 대한 자성 비율이다 $\gamma _{e}$ .

빠른 스핀 교환과 작은 자기장의 한계에서 스핀 교환 완화율은 충분히 작은 자기장에 대해 사라진다.^[2]

R_{se}={\frac {\gamma _{e}^{2}B^{2}T_{{se}}{2\pi }{\frac {1}{1}{2}}\왼쪽(1-{\frac {(2I+1)^{2}^{2}}}{Q^{2}}:}\오른쪽)

여기서 $Q$ $Q$ 은 $Q$ 전자 스핀과 핵 스핀 사이의 각도 모멘텀 공유를 설명하기 위한 "저속" 상수다.^[5]

Q(I=3/2)=4\왼쪽(2-{\frac {4}{3+P^{2}}}\오른쪽)^{-1

Q(I=5/2)=6\왼쪽(3-{\frac {48(1+P^{2})}{19+26P^{2}+3P^{4}}}\오른쪽)^{-1

Q(I=7/2)=8\왼쪽({\frac {4(1+7P^{2}+7P^{4}+7P^{6}}}{11+35)P^{2}+17P^{4}+P^{6}}}\오른쪽)^{-1

여기서 $P$ $P$ 은 $P$ 원자의 평균 분극이다. 빠른 스핀 교환을 겪고 있는 원자들은 서로 다른 주파수(또는 반대 방향)에서 처리되는 초미세 상태에서 시간의 일부분을 보내기 때문에 완전히 양극화되지 않았을 때 더 느리게 처리된다.

이완율

R_{tot}=Q\Delta \nu

R_{tot}=Q\Delta \nu

R_{tot}=Q\Delta \nu

R_{tot}=Q\Delta \nu

=

R_{tot}=Q\Delta \nu

R_{tot}=Q\Delta \nu

R_{tot}=Q\Delta \nu

{\displaystyle R_{tot}=Q\Delta \nu

}은 자기장의 함수로서 원자에 대한 자기공명 선폭으로 표시된다

R_{tot}=Q\Delta \nu

. 이 선들은 3개의 atm 완충가스와 60 Torr N의₂ 취출가스를 가진 직경 2 cm의 셀을 사용하여 160, 180, 200 °C에서 칼륨 증기(높은 온도는 높은 이완율을 제공한다)로 운용을 나타낸다. SERF 체제는 스핀 교환 충돌이 스핀 사전 처리보다 훨씬 빠르게 발생하는 충분히 낮은 자기장에 대해 명백하다.

민감도

원자자기계의 민감도 $\delta B$ $\delta B$ $\delta B$ $\delta B$ 은(는) 원자의 수 $N$ $N$ 과 $N$ 그 스핀 응집력 수명 $T_{2}$ $T_{2}$ ${\$ }}에 의해 $T_{2}$ 제한된다.

\delta B={\frac {1}{\gamma }}{{\frac {2R_{tott}Q}{F_{z}N}}}}}}}}}{\prqrt}}{\frac}}}}}}}}

여기서 $\gamma$ 는 $\gamma$ 원자의 자성비, $F_{z}$ z ${\$ 는 $F_{z}$ 총 원자 스핀 $F=I+S$ = $F=I+S$ + $F=I+S$ $F=I+S$ 의 평균 편광이다 $F=I+S$ ^[6]

스핀 교환 이완이 없는 경우, 다양한 다른 이완 메커니즘은 원자 스핀의 정합성을 제거하는 데 기여한다.^[2]

R_{tot}=R_{D}+R_{Sd, self}+R_{Sd,\mathrm {He}}+R_{Sd,\mathrm {N_{2}}:

여기서 $R_{D}$ $R_{D}$ ${\$ 스타일 $R_{D}$ 은(는) 세포벽 및 R $R_{sd,X}$ $R_{sd,X}$ 와의 충돌로 인한 이완률이며 $R_D$ $R_{sd,X}$ $R_{sd,X}$ ${\$ 스타일 $R_{sd,X}$ 은(는) 알칼리 금속 원자와 알칼리 원자의 충돌 및 존재하는 다른 기체 간의 충돌을 위한 스핀 파괴율이다 $R_{{sd,X}}$ .

최적 구성에서 최대 3개의 atm 헬륨 완충 가스를 가진 1cm³ 증기 셀 내 10cm¹⁴⁻³ 칼륨 원자의 밀도는 $R_{tot}$ R t $R_{tot}$ o {\ $displaystyle$ R_{ $tott}$ ≈ $R_{tot}$ 1Hz로 10 aT^−1/2 Hz(10⁻¹⁷ T^−1/2 Hz) 감도를 달성할 수 있다.^[2]

일반적인 작동

원자 자기계 작동 원리, 원형으로 편극된 펌프 빔에 의해 편극화된 알칼리 원자, 자기장 존재에서 전처리되고 선형 편극 프로브 빔의 광학 회전에 의해 검출되는 것을 나타낸다.

충분한 밀도의 알칼리 금속 증기는 단순히 증기세포 내부의 고체 알칼리 금속을 가열함으로써 얻는다. 일반적인 SERF 원자자기계는 저소음 다이오드 레이저를 이용하여 스핀 전 과정을 극화하고 모니터링할 수 있다. $D_{1}$ $D_{1}$ ${\$ } 스펙트럼 $D_{1}$ 공명선에 맞춰진 원형 편광 펌핑 광선이 원자를 편광한다. 직교 프로브 빔은 선형 편광 빛의 광학적 회전을 사용하여 전처리를 감지한다. 일반적인 SERF 자기계에서는 전처리 주파수가 이완 속도에 비해 느리기 때문에 회전은 매우 작은 각도로만 기울어진다.

장단점

SERF 자력계는 다양한 용도에 사용하기 위해 SQUID 자력계와 경쟁한다. SERF 자기계에는 다음과 같은 장점이 있다.

단위 볼륨당 동일하거나 더 나은 민감도
크라이오젠 프리 작동
모든 광학적 측정 한계로 영상촬영 가능 및 간섭 제거

잠재적 단점:

0에 가까운 필드에서만 작동 가능
센서 증기 셀은 반드시 가열되어야 함

적용들

SERF 자기계 고감도계를 이용하는 애플리케이션에는 잠재적으로 다음이 포함된다.

고성능 자기 뇌파 촬영^[7]
검체 자기화 측정, 특히 암석 검체

역사

SERF 구성 요소 모형화

SERF 자기계는 Michael V에 의해 개발되었다. 2000년대 초 프린스턴 대학의 로말리스.^[2] 억제 스핀 교환 완화를 지배하는 기초 물리학은 윌리엄 해퍼에^[4] 의해 수십 년 전에 개발되었지만, 자기장 측정에 대한 응용은 당시에 탐구되지 않았다. "SERF"라는 이름은 해양 은유에서 SQUID 검출기와의 관계에서 부분적으로 동기 부여되었다.

참조

^ Allred JC, Lyman RN, Kornack TW, Romalis MV (2002). "High-sensitivity atomic magnetometer unaffected by spin-exchange relaxation". Phys Rev Lett. 89 (13): 130801. Bibcode:2002PhRvL..89m0801A. doi:10.1103/PhysRevLett.89.130801. PMID 12225013.
^ ^a ^b ^c ^d ^e Allred, J. C.; Lyman, R. N.; Kornack, T. W.; Romalis, M. V. (2002). "High-Sensitivity Atomic Magnetometer Unaffected by Spin-Exchange Relaxation". Phys Rev Lett. 89 (13): 130801. Bibcode:2002PhRvL..89m0801A. doi:10.1103/PhysRevLett.89.130801. PMID 12225013.
^ Kominis, I. K.; Kornack, T. W.; Allred, J. C.; Romalis, M. V. (April 10, 2003). "A subfemtotesla multichannel atomic magnetometer". Nature. 422 (6932): 596–599. Bibcode:2003Natur.422..596K. doi:10.1038/nature01484. PMID 12686995. S2CID 4204465.
^ ^a ^b ^c Happer, W. & Tam, A. C. (1977). "Effect of rapid spin exchange on the magnetic-resonance spectrum of alkali vapors". Physical Review A. 16 (5): 1877–1891. Bibcode:1977PhRvA..16.1877H. doi:10.1103/PhysRevA.16.1877.
^ Savukov, I. M. & Romalis, M. V. (2005). "Effects of spin-exchange collisions in a high-density alkali-metal vapor in low magnetic fields". Physical Review A. 71 (2): 023405. Bibcode:2005PhRvA..71b3405S. doi:10.1103/PhysRevA.71.023405.
^ I. M. Savukov; S. J. Seltzer; M. V. Romalis & K. L. Sauer (2005). "Tunable Atomic Magnetometer for Detection of Radio-Frequency Magnetic Fields". Physical Review Letters. 95 (6): 063004. Bibcode:2005PhRvL..95f3004S. doi:10.1103/PhysRevLett.95.063004. PMID 16090946.
^ H. Xia; A. Ben-Amar Baranga; D. Hoffman & M. V. Romalis (2006). "Magnetoencephalography with an atomic magnetometer". Applied Physics Letters. 89 (21): 211104. Bibcode:2006ApPhL..89u1104X. doi:10.1063/1.2392722.

외부 링크

프린스턴 대학의 로말리스 그룹의 SERF 자기계 사진.
SERF(Spin Exchange Relation Free) 자기계

[1] Allred JC, Lyman RN, Kornack TW, Romalis MV (2002). "High-sensitivity atomic magnetometer unaffected by spin-exchange relaxation". Phys Rev Lett. 89 (13): 130801. Bibcode:2002PhRvL..89m0801A. doi:10.1103/PhysRevLett.89.130801. PMID 12225013.

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[Kominis03-3] Kominis, I. K.; Kornack, T. W.; Allred, J. C.; Romalis, M. V. (April 10, 2003). "A subfemtotesla multichannel atomic magnetometer". Nature. 422 (6932): 596–599. Bibcode:2003Natur.422..596K. doi:10.1038/nature01484. PMID 12686995. S2CID 4204465.

[Happer77-4] Happer, W. & Tam, A. C. (1977). "Effect of rapid spin exchange on the magnetic-resonance spectrum of alkali vapors". Physical Review A. 16 (5): 1877–1891. Bibcode:1977PhRvA..16.1877H. doi:10.1103/PhysRevA.16.1877.

[Savukov05-5] Savukov, I. M. & Romalis, M. V. (2005). "Effects of spin-exchange collisions in a high-density alkali-metal vapor in low magnetic fields". Physical Review A. 71 (2): 023405. Bibcode:2005PhRvA..71b3405S. doi:10.1103/PhysRevA.71.023405.

[Savukov2005-6] I. M. Savukov; S. J. Seltzer; M. V. Romalis & K. L. Sauer (2005). "Tunable Atomic Magnetometer for Detection of Radio-Frequency Magnetic Fields". Physical Review Letters. 95 (6): 063004. Bibcode:2005PhRvL..95f3004S. doi:10.1103/PhysRevLett.95.063004. PMID 16090946.

[Xia06-7] H. Xia; A. Ben-Amar Baranga; D. Hoffman & M. V. Romalis (2006). "Magnetoencephalography with an atomic magnetometer". Applied Physics Letters. 89 (21): 211104. Bibcode:2006ApPhL..89u1104X. doi:10.1063/1.2392722.

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