Magnetómetro MX

El magnetómetro Mx es el tipo más común de magnetómetro cuántico óptico que funciona con vapores de metales alcalinos ( cesio , rubidio , potasio ).

Cómo funciona

A temperatura ambiente, la energía térmica de los átomos es mucho mayor que la diferencia en las energías del estado fundamental ; por lo tanto, según la distribución de Boltzmann , las poblaciones de todos los niveles son las mismas, consulte el esquema de átomos de rubidio Rb87. Cuando los átomos interactúan con un campo óptico de polarización circular en un gas atómico, se crea una distribución de desequilibrio de la población de átomos sobre los subniveles de Zeeman de los estados fundamentales. Como resultado, el gas atómico está polarizado y tiene un momento magnético . $kT$ $\Delta E$ ${\ estilo de visualización (kT \ ll \ Delta E)}$ ${\ estilo de visualización \ sigma ^ {+))$ $\mu$

Se sabe que el momento magnético colocado en un campo magnético constante comienza a preceder con una frecuencia . Este comportamiento está descrito por las ecuaciones de Bloch . ${\ Displaystyle B_ {o}}$ $\omega _{L}=\gamma B_{o}$ $\mu$

En el magnetómetro Mx, el rayo láser se propaga en un ángulo de 45 grados con respecto a la dirección del campo magnético medido . Además del campo , también se aplica un pequeño campo oscilante perpendicular a él . Este campo impone una fase de átomos (espines) en precesión alrededor del campo Bo a la frecuencia del momento magnético. La proyección del momento magnético sobre la dirección de propagación de la luz de polarización de precesión permanecerá constante hasta que se encienda el campo . La inclusión de este campo conducirá a un cambio en la población entre los subniveles de Zeeman y, como resultado, este campo provocará la modulación de absorción de la proyección del momento magnético , que es registrado por el fotodetector, luego amplificado, la señal. la fase es corregida por el cambiador de fase y alimentada a la bobina de radiofrecuencia. Esto crea un bucle de retroalimentación positiva. Habiendo recogido la fase de la señal, logran generar un campo a la frecuencia de la precesión de Larmor . Esta frecuencia se mide con un frecuencímetro y el valor del campo magnético se determina a partir de su valor. ${\ Displaystyle B_ {o}}$ ${\ Displaystyle B_ {o}}$ ${\ Displaystyle B_ {RF} (t)}$ ${\ Displaystyle B_ {RF} (t)}$ ${\ estilo de visualización \ omega _ {L}}$ ${\ Displaystyle B_ {RF} (t)}$ $B_1$ $\omega _{L}$

Sensibilidad del magnetómetro

${\ estilo de visualización \ delta B}$ La sensibilidad del magnetómetro está determinada por la relación _ _ _ $\delta B={\frac {\kappa }{\gamma }}{\frac {N\Gamma }{S)),$ $\Gama$ $S$ $\gama$ ${\ estilo de visualización N}$ $\tau$ $\kappa$

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

$\rho$ es la densidad del ruido de disparo , en el caso del predominio del ruido cuántico en la fotocorriente del detector, queda así:

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

$T_{2}$ es el tiempo de relajación transversal de la polarización del átomo

La luz resonante del láser (fuente de luz) bombea los átomos a los niveles del estado fundamental . La polarización lineal de la luz láser se convierte en polarización circular utilizando una placa de fase . Debido a esto, la población de no equilibrio de los subniveles de Zeeman se acumula en niveles con una gran proyección de impulso . El vector de propagación de la luz y la dirección del campo magnético medido se giran entre sí en un ángulo de 45 grados (flecha azul). Se enciende un campo de radiofrecuencia perpendicular al campo . La transmisión de luz que pasa a través de la celda es modulada por este campo y registrada por un fotodiodo . ${\ estilo de visualización 5S_ {1/2}, F = 2}$ $\lambda/4$ ${\ estilo de visualización \ sigma ^ {+))$ ${\ estilo de visualización m_ {F}}$ ${\ Displaystyle B_ {o}}$ ${\ Displaystyle B_ {o}}$ ${\ Displaystyle B_ {RF} (t)}$

La modulación de la luz por el campo ocurre debido a dos procesos: debido a un cambio en la absorción debido a la transferencia de población de un subnivel de Zeeman a otro, y debido a la modulación de la probabilidad de interacción de la luz con un átomo debido a la creación de coherencia cuántica entre ellos. ${\ Displaystyle B_ {RF} (t)}$

El ancho de resonancia está determinado por varios procesos de relajación [2] :

colisiones con paredes celulares, con moléculas de gases amortiguadores y colisiones átomo-átomo
ensanchamiento del campo causado por campos ópticos y de radiofrecuencia;
el tiempo finito de interacción con el campo óptico, determinado por el paso de los átomos a través de la sección transversal del campo óptico

Notas

↑ S. Groeger, G. Bison, J.-L. Schenker, R. Wynands y A. Weis, Eur. física J. D 38, 239-247 (2006), DOI: 10.1140/epjd/e2006-00037-y
↑ A. K. Vershovsky, Nuevos sistemas y métodos radioópticos cuánticos para medir campos magnéticos débiles, disertación para el grado de Doctor en Ciencias Físicas y Matemáticas, Instituto. A. F. Ioffe, San Petersburgo, 2007

Literatura

Georg Bison, Desarrollo de un cardiomagnetómetro óptico capítulo 2. Optimización y rendimiento de un cardiomagnetómetro óptico, der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen FakultÄat der UniversitÄat Freiburg in der Schweiz, Nummer der Dissertation: 1450 UniversitÄatsdruckerei Freiburg, 2004
D. Budker, W. Gavlik, DF Kimball, SM Rochester, VV Yashuchuk y A. Weis, Resonant nonlinear magneto-optical effects in atoms, Review of Modern Physics, V. 74 1153–1201 (2002)
Dmitry Budker y Michael Romalis, Magnetometría óptica, Física de la naturaleza, v.3 227–234 (2007)
S. Groeger, G. Bison, J.-L. Schenker. R. Wynands y A. Weis, Un magnetómetro Mx bombeado por láser de alta sensibilidad, Eur. física JD, v. 38, 239-247 (2006)
magnetometría óptica. editores: Dmitry Budker, Derek F. Jackson Kimball,

Cambridge University Press, PUBLICADO: abril de 2013, ISBN 9781107010352