Magnetometru Mx

Magnetometrul Mx este cel mai comun tip de magnetometru cuantic optic care funcționează pe vapori de metale alcaline ( cesiu , rubidiu , potasiu ).

Cum funcționează

La temperatura camerei, energia termică a atomilor este mult mai mare decât diferența dintre energiile stării fundamentale - , prin urmare, conform distribuției Boltzmann , populațiile de toate nivelurile sunt aceleași, vezi schema atomilor de rubidiu Rb87. Când atomii interacționează cu un câmp optic de polarizare circulară într-un gaz atomic, se creează o distribuție de neechilibru a populației de atomi peste subnivelurile Zeeman ale stărilor fundamentale. Ca urmare, gazul atomic este polarizat și are un moment magnetic . $kT$ $\Delta E$ $(kT\ll \Delta E)$ $\sigma ^{+)$ $\mu$

Se știe că momentul magnetic plasat într-un câmp magnetic constant începe să preceadă cu o frecvență . Acest comportament este descris de ecuațiile Bloch . $B_{o)$ $\omega _{L}=\gamma B_{o}$ $\mu$

În magnetometrul Mx, fasciculul laser se propagă la un unghi de 45 de grade în raport cu direcția câmpului magnetic măsurat . Pe lângă câmp , se aplică și un mic câmp oscilant perpendicular pe acesta . Acest câmp impune o fază de atomi (spinuri) precesând în jurul câmpului Bo la frecvența momentului magnetic. Proiecția momentului magnetic pe direcția de propagare a luminii de polarizare precesată va rămâne constantă până la pornirea câmpului . Includerea acestui câmp va duce la o modificare a populației între subnivelurile Zeeman și, ca urmare, acest câmp va determina modularea de absorbție a proiecției momentului magnetic , care este înregistrat de fotodetector, apoi amplificat, semnalul. faza este corectată de comutatorul de fază și alimentată la bobina de radiofrecvență. Acest lucru creează o buclă de feedback pozitiv. După ce au preluat faza semnalului, ei realizează generarea câmpului la frecvența precesiei Larmor . Această frecvență este măsurată cu ajutorul unui frecvențămetru și valoarea câmpului magnetic este determinată din valoarea acestuia. $B_{o)$ $B_{o)$ $B_{RF}(t)$ $B_{RF}(t)$ $\omega _{L}$ $B_{RF}(t)$ $B_1$ $\omega _{L}$

Sensibilitatea magnetometrului

Sensibilitatea $\delta B$ magnetometrului este determinată de relația _ _ _ _ _ _ $\delta B={\frac {\kappa }{\gamma }}{\frac {N\Gamma {S)),$ $\Gamma$ $S$ $\gamma$ $N$ $\tau$ $\kappa$

$\delta B^{scurt}=\kappa {\frac {\Gamma }{\gamma }}{\frac {\rho }{S}}{\frac {1}{\sqrt {2\pi \ tau }}}$

$\rho$ este densitatea zgomotului de împușcare , în cazul predominării zgomotului cuantic în fotocurent al detectorului, arată astfel:

$\delta B^{quant}={\frac {1}{\gamma }}{\frac {1}{\sqrt {N_{a}{T_{2}}\tau }}}$

$T_{2}$ este timpul transversal de relaxare al polarizării atomului

Lumina rezonantă a laserului (sursa de lumină) pompează atomii la nivelurile stării fundamentale . Polarizarea liniară a luminii laser este convertită în polarizare circulară folosind o placă de fază . Din această cauză, populația de neechilibru a subnivelurilor Zeeman se acumulează la niveluri cu o proiecție mare de impuls . Vectorul de propagare a luminii și direcția câmpului magnetic măsurat sunt rotite unul față de celălalt cu un unghi de 45 de grade (săgeată albastră). Un câmp de radiofrecvență este pornit perpendicular pe câmp . Transmisia luminii care trece prin celula este modulata de acest camp si inregistrata de o fotodioda . $5S_{1/2},F=2$ $\lambda/4$ $\sigma ^{+)$ $m_{F}$ $B_{o)$ $B_{o)$ $B_{RF}(t)$

Modularea luminii de către câmp are loc datorită a două procese: datorită unei modificări a absorbției ca urmare a transferului populației de la un subnivel Zeeman la altul și datorită modulării probabilității de interacțiune a luminii cu un atom datorită creării. de coerenţă cuantică între ele. $B_{RF}(t)$

Lățimea rezonanței este determinată de diferite procese de relaxare [2] :

ciocniri cu pereții celulelor, cu molecule de gaze tampon și coliziuni atom-atom
lărgirea câmpului cauzată atât de câmpurile optice, cât și de cele de radiofrecvență;
timpul finit de interacțiune cu câmpul optic, determinat de trecerea atomilor prin secțiunea transversală a câmpului optic

Note

↑ S. Groeger, G. Bison, J.-L. Schenker, R. Wynands și A. Weis, Eur. Fiz. J. D 38, 239-247 (2006), DOI: 10.1140/epjd/e2006-00037-y
↑ A. K. Vershovsky, Noi sisteme radio-optice cuantice și metode pentru măsurarea câmpurilor magnetice slabe, disertație pentru gradul de doctor în științe fizice și matematice, Institut. A. F. Ioffe, Sankt Petersburg, 2007

Literatură

Georg Bison, Dezvoltarea unui cardio-magnetometru optic capitolul 2. Optimizarea și performanța unui cardiomagnetometru optic, der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen FakultÄat der UniversitÄat Freiburg in der Schweiz, Nummer der Dissertation: 1450 UniversitÄatsdruckerei Freiburg, 1450
D. Budker, W. Gavlik, DF Kimball, SM Rochester, VV Yashuchuk și A. Weis, Resonant nonlinear magneto-optical effects in atoms, Review of Modern Physics, V. 74 1153–1201 (2002)
Dmitry Budker și Michael Romalis, Magnetometrie optică, Fizica naturii, v.3 227–234 (2007)
S. Groeger, G. Bison, J.-L. Schenker. R. Wynands și A. Weis, Un magnetometru Mx pompat cu laser de înaltă sensibilitate, Eur. Fiz. J.D, v. 38, 239-247 (2006)
magnetometrie optică. editori: Dmitry Budker, Derek F. Jackson Kimball,

Cambridge University Press, PUBLICAT: aprilie 2013, ISBN 9781107010352