無自旋交換弛豫

無自旋交換弛豫（英語：Spin exchange relaxation-free，SERF）是一種物理機制，指在高原子數密度和零磁場環境下，原子自旋交換碰撞頻率遠遠大於拉莫爾進動頻率，由於原子在各子能級的概率服從自旋溫度分布，多次碰撞的平均宏觀效果是原子總體的自旋方向一致，所以可降低甚至消除鹼金屬原子自旋交換弛豫，使原子自旋極化保持較長的相干時間。一般通過加熱鹼金屬原子氣室提高原子數密度，同時利用被動磁屏蔽和主動磁補償等方式實現零磁場環境。

歷史

1973年，Happer和Tang 首次通過實驗發現SERF現象，隨後Happer和Tam在 1977 年從理論上解釋了SERF 態效應，但當時沒有探索其在磁場測量中的應用。2002年，美國普林斯頓大學的麥可·V·羅馬利斯首次將這一效應應用於原子磁力儀中，並且理論分析了SERF原子磁力儀靈敏度極限的量級。SERF這一名稱部分是由於其與超導量子干涉儀（SQUID）探測器在海洋隱喻中的關係而產生的。

2003年，普林斯頓大學Romalis團隊與華盛頓大學合作，提出了一種SERF原子磁力儀，磁場測量靈敏度可達 $10fT/{\sqrt {Hz}}$。2011年，美國威斯康星大學的科研團隊開發出一種基於SERF原子磁力儀陣列的心磁圖儀，有四個通道，測量靈敏度達到 $6-11fT/{\sqrt {Hz}}$。

原理

自旋交換碰撞保持碰撞原子對的總角動量，但可能擾亂原子的超精細態。處於不同超精細態的原子不能相干地進動，從而限制了原子的相干壽命。然而，如果自旋交換碰撞發生的速度遠快於原子的進動頻率，則由自旋交換碰撞引起的失相干幾乎可以消除。在這一狀態下，集合中的所有原子快速改變超精細態，在每個超精細態中花費相同的時間，使自旋集合進動得更慢但保持相干。這種狀態，即SERF狀態可以通過在足夠高的鹼金屬密度和足夠低的磁場中操作來達成。

鹼金屬原子在磁場存在下進動，超精細態用顏色表示，經歷自旋交換碰撞，保持總角動量但改變超精細態，導致原子向相反方向進動並失相干。

處於自旋交換弛豫抑制（SERF）狀態的鹼金屬原子在磁場存在下進動，超精細態用顏色表示，經歷兩次快速連續的自旋交換碰撞，保持總角動量但改變超精細態，導致原子只是短暫地向相反方向進動，然後第二次自旋交換碰撞使原子返回到原始超精細態。

經歷慢速自旋交換的低極化原子的自旋交換弛豫率$R_{se}$：

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

其中 $T_{se}$ 是自旋交換碰撞之間的時間，$I$是核自旋，$\nu$是磁共振頻率，$\gamma _{e}$是電子的旋磁比。

在快速自旋交換和小磁場的極限下，對於足夠小的磁場，自旋交換弛豫率消失：

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

其中 $Q$ 是表達減速的常數，用於電子和核自旋之間角動量的共享：

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

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

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

其中 $P$ 是原子的平均極化。經歷快速自旋交換的原子在未完全極化時進動得更慢，因為它們在不同的超精細態中花費一部分時間，以不同的頻率或相反方向進動。

弛豫率$R_{tot}=Q\Delta \nu$。這些線代表在160、180和200°C溫度下使用鉀蒸汽操作（更高溫度提供更高弛豫率），使用2厘米直徑的蒸氣池，含有3 atm氦緩衝氣體，60 Torr N₂猝熄氣。SERF狀態在足夠低的磁場下清楚顯現，此時自旋交換碰撞發生得比自旋進動快得多。

靈敏度

原子磁力儀的靈敏度$\delta B$受原子數量$N$及其自旋相干壽命 $T_{2}$ 限制，可表示為：

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

其中 $\gamma$ 是原子的旋磁比，$F_{z}$是總原子自旋 $F=I+S$ 的平均極化。

在沒有自旋交換弛豫的情況下，各種其他弛豫機制導致原子自旋的失相干：

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

其中$R_{D}$是由於與池壁碰撞的弛豫率，$R_{sd,X}$是鹼金屬原子間碰撞和鹼原子與可能存在的任何其他氣體碰撞的自旋破壞率。

在最優配置下，在約3 atm氦緩衝氣體的1 cm³蒸汽池中密度為10¹⁴ cm⁻³的鉀原子可以實現10 aT Hz^−1/2（10⁻¹⁷ T Hz^−1/2）的靈敏度，弛豫率 $R_{tot}$≈ 1 Hz。

典型操作

原子磁力儀工作原理，描繪了被圓偏振泵浦光束極化的鹼原子，在磁場存在下進動，並通過線偏振探測光束的光學旋轉進行檢測。

足夠密度的鹼金屬蒸汽通過簡單地在蒸汽池內加熱固體鹼金屬獲得。典型的SERF原子磁力儀可以利用低噪聲二極體雷射器來極化和監測自旋進動。調諧到$D_{1}$光譜共振線的圓偏振泵浦光極化原子。正交探測光束通過線偏振光的光學旋轉檢測進動。對於典型的SERF磁力儀，自旋僅傾斜很小的角度，因為進動頻率相對於弛豫率較慢。

優缺點

SERF磁力儀的單位體積靈敏度好，在一些頻率範圍內已超越了超導量子干涉儀。其體積小巧，方便進行陣列布置，可以更靠近測量目標。

其缺點是只能在接近零場下操作，極大地限制了其測量的動態範圍；在結構上，為了維持高靈敏度，存在小型化局限（約1立方厘米 ），集成難度較大；且傳感器蒸汽池必須加熱。

應用

SERF磁力儀可應用於高性能腦磁圖成像或樣品磁化測量（如岩石樣品）。

SERF組件模型

外部連結

• SERF磁力儀照片 ，普林斯頓大學羅馬利斯小組
• 自旋交換弛豫抑制（SERF）磁力儀