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超高靈敏度的磁場計

2011/02/08 | 未分類 |

Original publish date:Apr 16, 2003

編輯 Agape 報導

科學家發明了新的元件﹐利用自旋極化的鹼金族元素原子﹐可以測量到僅10-15 Tesla的磁場強度。

在現代科技中﹐利用磁性原理所製成的元件或儀器﹐已經被廣泛地應用在小至電腦的記憶體儲存﹐大到核磁共振掃描儀各個方面。而這些磁性元件的靈敏度﹐也隨著所使用的目的而有不同的要求。在本期的自然雜誌中﹐報導了美國普林斯頓大學物理系的I. K. Kominis ﹐與其他的科學家們共同合作﹐利用光學的方法﹐製造出靈敏度在10-15 Tesla的磁場計。

Kominis等人的實驗﹐是利用雷射光激發鉀原子中最外層的價電子。價電子除了吸收光子而被激發至激發態之外﹐它本身的自旋方向也會受所吸收光子的影響。如果這時有外加磁場﹐原子將感受到力矩而改變其磁矩的方向﹐連帶著改變了其對於光子的吸收特性。所以經由量測原子磁矩受磁場影響的改變﹐就可以得到外加磁場的強度。

有關實驗的設置﹐請參考附圖。基本上﹐Kominis等人是利用一束高功率雷射光來激發原子﹐另外再用一單頻雷射來探測原子的自旋。由於偵測磁場的靈敏度與原子的密度成反比﹐要測量的磁場越小﹐所使用的原子就要越多。但是﹐隨著原子密度的增加﹐原子與實驗器材之間的非彈性碰撞也越多。通常為了解決這種問題﹐科學家們多在儀器內壁塗上一層石蠟﹐增加原子與器壁間彈性碰撞的機會。此外﹐鉀原子中存在著具有不同角動量﹐稱為超精細結構(hyperfine structure) 的兩個基態能階。在外加磁場中﹐這兩個能階的徑動(precession)是沿著相反方向, 原子的自旋就會在這兩個能階之間隨機地轉換﹐以致總角動量的平均值將為零(此效應稱為自旋衰減spin relaxation)﹐如此就無法透過原子的自旋改變來測量磁場強度。

為了解決第一個問題﹐Kominis等人在鉀原子氣體中﹐通入2.9大氣壓的氦氣﹐以減低鉀原子氣體分子與儀器內壁碰撞的機會。而針對第二個問題﹐根據Williams Happer等人早在1970年代的計算﹐若是原子自旋在超精細結構能階之間變動的速率﹐遠超過其徑動的速率﹐則對於原子的自旋﹐反而不會受到任何影響。這是因為在極快的能階變動之下﹐不能僅考慮原子在單一超精細結構能階上徑動的情形。相反地﹐原子會如同自由原子般地傾向於選擇停留在某一個超精細結構能階上﹐且在沿著固定的方向產生一個等效的徑動。如此﹐在外加磁場中﹐這些原子的自旋改變量就可以被偵測到﹐不會受到自旋衰減的影響。

Kominis等人在他們所量測的磁場頻譜中﹐利用簡單的公式﹐估計出他們所設計的磁場計具有每平方根赫茲達10-15 Tesla的靈敏度。根據他們的計算﹐Kominis等人認為他們的實驗仍有許多可以改進的空間。例如使用超導屏蔽以完全除去雜訊﹐以及使用二維的光二極體以測量在整個平面上的磁場等。此外﹐Kominis等人的實驗結果除了是技術上的一項突破﹐也有可能應用於發展更精密的醫學影像(特別是腦部組織) 上。

<附圖>

原始論文:

A new spin on magnetometry, Nature 422, 574 (2003)

I. K. Kominis et al., A subfemtotesla multichannel atomic magnetometer, Nature 422, 596 (2003)

參考來源:

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