SERF

A spin exchange relaxation-free (SERF) magnetometer is a type of magnetometer developed at Princeton University in the early 2000s. SERF magnetometers measure magnetic fields by using lasers to detect the interaction between alkali metal atoms in a vapor and the magnetic field.

The name for the technique comes from the fact that spin exchange relaxation, a mechanism which usually scrambles the orientation of atomic spins, is avoided in these magnetometers. This is done by using a high (10¹⁴ cm⁻³) density of potassium atoms and a very low magnetic field. Under these conditions, the atoms exchange spin quickly compared to their magnetic precession frequency so that the average spin interacts with the field and is not destroyed by decoherence.^[1]

A SERF magnetometer achieves very high magnetic field sensitivity by monitoring a high density vapor of alkali metal atoms precessing in a near-zero magnetic field.^[2] The sensitivity of SERF magnetometers improves upon traditional atomic magnetometers by eliminating the dominant cause of atomic spin decoherence caused by spin-exchange collisions among the alkali metal atoms. SERF magnetometers are among the most sensitive magnetic field sensors and in some cases exceed the performance of SQUID detectors of equivalent size.^[3] A small 1 cm³ volume glass cell containing potassium vapor has reported 1 fT/√Hz sensitivity and can theoretically become even more sensitive with larger volumes.^[4] They are vector magnetometers capable of measuring all three components of the magnetic field simultaneously.

Las colisiones de intercambio de espín preservan el momento angular total de un par de átomos que colisionan, pero pueden alterar el estado hiperfino de los átomos. Los átomos en diferentes estados hiperfinos no precesan de forma coherente, lo que limita la vida útil de la coherencia de los átomos. Sin embargo, la decoherencia debida a las colisiones de intercambio de espín puede eliminarse casi por completo si estas colisiones 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, permaneciendo el mismo tiempo en cada estado y provocando que el conjunto de espines precese más lentamente, pero manteniendo la coherencia. Este régimen, denominado SERF, puede alcanzarse operando con una densidad de metal alcalino suficientemente alta (a mayor temperatura) y en un campo magnético suficientemente bajo. ^{[ 5 ]}

La tasa de relajación del intercambio de espín${\displaystyle R_{se}}$para átomos con baja polarización que experimentan un intercambio de espín lento se puede expresar de la siguiente manera: ^{[ 5 ]}

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

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

En el límite de intercambio de espín rápido y campo magnético pequeño, la tasa de relajación de intercambio de espín se anula 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${\displaystyle Q}$es la constante de "desaceleración" para tener en cuenta el reparto del momento angular entre los espines del electrón y del núcleo: ^{[ 6 ]}

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

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

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

dónde${\displaystyle P}$es la polarización promedio de los átomos. Los átomos que experimentan un intercambio de espín rápido 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).

The sensitivity ${\displaystyle \delta B}$ of atomic magnetometers are limited by the number of atoms ${\displaystyle N}$ and their spin coherence lifetime ${\displaystyle T_{2}}$ according to

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

where ${\displaystyle \gamma }$ is the gyromagnetic ratio of the atom and ${\displaystyle F_{z}}$ is the average polarization of total atomic spin ${\displaystyle F=I+S}$.^[7]

In the absence of spin-exchange relaxation, a variety of other relaxation mechanisms contribute to the decoherence of atomic spin:^[2]

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

where ${\displaystyle R_{D}}$ is the relaxation rate due to collisions with the cell walls and ${\displaystyle R_{sd,X}}$ are the spin destruction rates for collisions among the alkali metal atoms and collisions between alkali atoms and any other gasses that may be present.

In an optimal configuration, a density of 10¹⁴ cm⁻³ potassium atoms in a 1 cm³ vapor cell with ~3 atm helium buffer gas can achieve 10 aT Hz^−1/2 (10⁻¹⁷ T Hz^−1/2) sensitivity with relaxation rate ${\displaystyle R_{tot}}$ ≈ 1 Hz.^[2]

Alkali metal vapor of sufficient density is obtained by simply heating solid alkali metal inside the vapor cell. A typical SERF atomic magnetometer can take advantage of low noise diode lasers to polarize and monitor spin precession. Circularly polarized pumping light tuned to the ${\displaystyle D_{1}}$ spectral resonance line polarizes the atoms. An orthogonal probe beam detects the precession using optical rotation of linearly polarized light. In a typical SERF magnetometer, the spins merely tip by a very small angle because the precession frequency is slow compared to the relaxation rates.

SERF magnetometers compete with SQUID magnetometers for use in a variety of applications. The SERF magnetometer has the following advantages:

• Equal or better sensitivity per unit volume
• Cryogen-free operation
• All-optical measurement limits enables imaging and eliminates interference

Potential disadvantages:

• Can only operate near zero field
• Sensor vapor cell must be heated

Entre las posibles aplicaciones que utilizan la alta sensibilidad de los magnetómetros SERF se incluyen:

• Imágenes magnetoencefalográficas de alto rendimiento ^{[ 8 ]}
• Medición de la magnetización de muestras, especialmente muestras de roca.

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 de intercambio de espín por supresión fue desarrollada décadas antes por William Happer ^{[ 5 ] [ 9 ]} pero su aplicación a la medición de campos magnéticos no se exploró en ese momento. El nombre "SERF" se inspiró parcialmente en su relación con los detectores SQUID, en una metáfora marina.

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