SIERVO

Un magnetómetro libre de relajación por intercambio de espín ( SERF ) es un tipo de magnetómetro desarrollado en la Universidad de Princeton a principios de la década de 2000. Los magnetómetros SERF miden los campos magnéticos utilizando láseres para detectar la interacción entre los átomos de metales alcalinos en un vapor y el campo magnético.

El nombre de la técnica proviene del hecho de que en estos magnetómetros se evita la relajación por intercambio de espín, un mecanismo que normalmente altera la orientación de los espines atómicos . Esto se hace utilizando una alta densidad (10 ¹⁴ cm ^{−3 ) de átomos} de potasio y un campo magnético muy bajo. En estas condiciones, los átomos intercambian espín rápidamente en comparación con su frecuencia de precesión magnética, de modo que el espín promedio interactúa con el campo y no se destruye por decoherencia. ^[1]

Un magnetómetro SERF logra una sensibilidad de campo magnético muy alta al monitorear un vapor de alta densidad de átomos de metales alcalinos que precesan en un campo magnético cercano a cero. ^[2] La sensibilidad de los magnetómetros SERF mejora la de los magnetómetros atómicos tradicionales al eliminar la causa dominante de la decoherencia de espín atómico causada por colisiones de intercambio de espín entre los átomos de metales alcalinos. Los magnetómetros SERF se encuentran entre los sensores de campo magnético más sensibles y en algunos casos superan el rendimiento de los detectores SQUID de tamaño equivalente. Una pequeña celda de vidrio de 1 cm3 de volumen que contiene vapor de potasio ha informado una sensibilidad de 1 fT/ ^√ Hz y , en teoría, puede volverse aún más sensible con volúmenes mayores. ^[3] Son magnetómetros vectoriales capaces de medir los tres componentes del campo magnético simultáneamente. ^{[ cita requerida ]}

Relajación por intercambio de espín

Las colisiones de intercambio de espín preservan el momento angular total de un par de átomos en colisión, pero pueden alterar el estado hiperfino de los átomos. Los átomos en diferentes estados hiperfinos no precesan coherentemente y, por lo tanto, limitan la vida útil de coherencia de los átomos. Sin embargo, la decoherencia debido a las colisiones de intercambio de espín se puede eliminar casi por completo si las colisiones de intercambio de espín ocurren mucho más rápido que la frecuencia de precesión de los átomos. En este régimen de intercambio de espín rápido, todos los átomos de un conjunto cambian rápidamente de estado hiperfino, pasando la misma cantidad de tiempo en cada estado hiperfino y haciendo que el conjunto de espín precese más lentamente pero permanezca coherente. Este llamado régimen SERF se puede alcanzar operando con una densidad de metal alcalino suficientemente alta (a mayor temperatura) y en un campo magnético suficientemente bajo. ^[4]

La tasa de relajación del intercambio de espín para átomos con baja polarización que experimentan un intercambio de espín lento se puede expresar de la siguiente manera: ^[4] ${\displaystyle R_{se}}$

${\displaystyle R_{se}={\frac {1}{2\pi T_{se}}}\left({\frac {2I(2I-1)}{3(2I+1)^{2}}}\right)}$

donde es el tiempo entre colisiones de intercambio de espín, es el espín nuclear, es la frecuencia de resonancia magnética, es la relación giromagnética de un electrón. ${\displaystyle T_{se}}$ ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle \nu }$ ${\displaystyle \gamma _{e}}$

En el límite del intercambio de espín rápido y el campo magnético pequeño, la tasa de relajación del intercambio de espín se desvanece para un campo magnético suficientemente pequeño: ^[2]

${\displaystyle R_{se}={\frac {\gamma _{e}^{2}B^{2}T_{se}}{2\pi }}{\frac {1}{2}}\left(1-{\frac {(2I+1)^{2}}{Q^{2}}}\right)}$

¿Dónde está la constante de "desaceleración" para tener en cuenta el reparto del momento angular entre los espines del electrón y del núcleo? ^[5] ${\displaystyle Q}$

${\displaystyle Q(I=3/2)=4\left(2-{\frac {4}{3+P^{2}}}\right)^{-1}}$

${\displaystyle Q(I=5/2)=6\left(3-{\frac {48(1+P^{2})}{19+26P^{2}+3P^{4}}}\right)^{-1}}$

${\displaystyle Q(I=7/2)=8\left({\frac {4(1+7P^{2}+7P^{4}+P^{6})}{11+35P^{2}+17P^{4}+P^{6}}}\right)^{-1}}$

donde es la polarización media de los átomos. Los átomos que sufren un rápido intercambio de espín precesan más lentamente cuando no están completamente polarizados porque pasan una fracción del tiempo en diferentes estados hiperfinos precesando a diferentes frecuencias (o en la dirección opuesta). ${\displaystyle P}$

Tasa de relajación indicada por el ancho de línea de resonancia magnética para átomos en función del campo magnético. Estas líneas representan la operación con vapor de potasio a 160, 180 y 200 °C (una temperatura más alta proporciona tasas de relajación más altas) utilizando una celda de 2 cm de diámetro con un gas amortiguador de He de 3 atm y un gas de extinción de N ₂ de 60 Torr . El régimen SERF es claramente evidente para campos magnéticos suficientemente bajos donde las colisiones de intercambio de espín ocurren mucho más rápido que la precesión de espín. ${\displaystyle R_{tot}=Q\Delta \nu }$

Sensibilidad

La sensibilidad de los magnetómetros atómicos está limitada por el número de átomos y su vida útil de coherencia de espín según ${\displaystyle \delta B}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle T_{2}}$

${\displaystyle \delta B={\frac {1}{\gamma }}{\sqrt {\frac {2R_{tot}Q}{F_{z}N}}}}$

donde es la relación giromagnética del átomo y es la polarización media del espín atómico total . ^[6] ${\displaystyle \gamma }$ ${\displaystyle F_{z}}$ ${\displaystyle F=I+S}$

En ausencia de relajación por intercambio de espín, una variedad de otros mecanismos de relajación contribuyen a la decoherencia del espín atómico: ^[2]

${\displaystyle R_{tot}=R_{D}+R_{sd,self}+R_{sd,\mathrm {He} }+R_{sd,\mathrm {N_{2}} }}$

donde es la tasa de relajación debida a las colisiones con las paredes celulares y son las tasas de destrucción de espín para las colisiones entre los átomos de metales alcalinos y las colisiones entre los átomos de metales alcalinos y cualquier otro gas que pueda estar presente. ${\displaystyle R_{D}}$ ${\displaystyle R_{sd,X}}$

En una configuración óptima, una densidad de 10 ¹⁴ cm ⁻³ átomos de potasio en una celda de vapor de 1 cm ³ con gas amortiguador de helio de ~3 atm puede lograr una sensibilidad de 10 aT Hz ^−1/2 (10 ⁻¹⁷ T Hz ^−1/2 ) con una tasa de relajación ≈ 1 Hz. ^[2] ${\displaystyle R_{tot}}$

Operación típica

Principio de funcionamiento del magnetómetro atómico, que representa átomos alcalinos polarizados por un haz de bombeo polarizado circularmente, que precesan en presencia de un campo magnético y son detectados por la rotación óptica de un haz de sonda polarizado linealmente.

El vapor de metal alcalino de densidad suficiente se obtiene simplemente calentando el metal alcalino sólido dentro de la celda de vapor. Un magnetómetro atómico SERF típico puede aprovechar los láseres de diodo de bajo ruido para polarizar y monitorear la precesión del espín. La luz de bombeo polarizada circularmente sintonizada con la línea de resonancia espectral polariza los átomos. Un haz de sonda ortogonal detecta la precesión utilizando la rotación óptica de la luz polarizada linealmente. En un magnetómetro SERF típico, los espines simplemente se inclinan en un ángulo muy pequeño porque la frecuencia de precesión es lenta en comparación con las tasas de relajación. ${\displaystyle D_{1}}$

Ventajas y desventajas

Los magnetómetros SERF compiten con los magnetómetros SQUID en cuanto a su uso en diversas aplicaciones. El magnetómetro SERF tiene las siguientes ventajas:

• Sensibilidad igual o mejor por unidad de volumen
• Operación sin criógeno
• Los límites de medición totalmente ópticos permiten la obtención de imágenes y eliminan las interferencias.

Posibles desventajas:

• Sólo puede funcionar cerca del campo cero
• La celda de vapor del sensor debe calentarse

Aplicaciones

Las aplicaciones que utilizan potencialmente la alta sensibilidad de los magnetómetros SERF incluyen:

• Imágenes magnetoencefalográficas de alto rendimiento ^[7]
• Medición de la magnetización de muestras, especialmente muestras de rocas.

Historia

Maqueta de componentes SERF

El magnetómetro SERF fue desarrollado por Michael V. Romalis en la Universidad de Princeton a principios de la década de 2000. ^[2] La física subyacente que rige la relajación del intercambio de espín por supresión fue desarrollada décadas antes por William Happer ^[4], pero la aplicación a la medición del campo magnético no se había explorado en ese momento. El nombre "SERF" estuvo motivado en parte por su relación con los detectores SQUID en una metáfora marina.

Referencias

1. Allred JC, Lyman RN, Kornack TW, Romalis MV (2002). "Magnetómetro atómico de alta sensibilidad no afectado por la relajación por intercambio de espín". Phys Rev Lett . 89 (13): 130801. Bibcode :2002PhRvL..89m0801A. doi :10.1103/PhysRevLett.89.130801. PMID  12225013.
2. Allred, JC; Lyman, RN; Kornack, TW; Romalis, MV (2002). "Magnetómetro atómico de alta sensibilidad no afectado por la relajación por intercambio de espín". Phys Rev Lett . 89 (13): 130801. Bibcode :2002PhRvL..89m0801A. doi :10.1103/PhysRevLett.89.130801. PMID  12225013.
3. Kominis, IK; Kornack, TW; Allred, JC; Romalis, MV (10 de abril de 2003). "Un magnetómetro atómico multicanal subfemtotesla". Nature . 422 (6932): 596–599. Bibcode :2003Natur.422..596K. doi :10.1038/nature01484. PMID  12686995. S2CID  4204465.
4. Happer, W. y Tam, AC (1977). "Efecto del intercambio rápido de espín en el espectro de resonancia magnética de vapores alcalinos". Physical Review A . 16 (5): 1877–1891. Código Bibliográfico :1977PhRvA..16.1877H. doi :10.1103/PhysRevA.16.1877.
5. Savukov, IM y Romalis, MV (2005). "Efectos de las colisiones de intercambio de espín en un vapor de metal alcalino de alta densidad en campos magnéticos bajos". Physical Review A . 71 (2): 023405. Bibcode :2005PhRvA..71b3405S. doi :10.1103/PhysRevA.71.023405.
6. IM Savukov; SJ Seltzer; MV Romalis y KL Sauer (2005). "Magnetómetro atómico sintonizable para la detección de campos magnéticos de radiofrecuencia". Physical Review Letters . 95 (6): 063004. Bibcode :2005PhRvL..95f3004S. doi :10.1103/PhysRevLett.95.063004. PMID  16090946.
7. H. Xia; A. Ben-Amar Baranga; D. Hoffman y MV Romalis (2006). "Magnetoencefalografía con un magnetómetro atómico". Applied Physics Letters . 89 (21): 211104. Bibcode :2006ApPhL..89u1104X. doi :10.1063/1.2392722.

Enlaces externos

• Fotografías de un magnetómetro SERF del Grupo Romalis de la Universidad de Princeton.
• El magnetómetro de relajación por intercambio de espín (SERF)