Сдвиги частоты магнитного резонанса в квантовых магнитометрах на основе явления оптической ориентации атомов

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Картошкин В.А. Сдвиги частоты магнитного резонанса в квантовых магнитометрах на основе явления оптической ориентации атомов // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 5. С. 16–24. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-05-16-24

Kartoshkin V.A. Magnetic resonance frequency shifts in quantum magnetometers based on the phenomenon of optical orientation of atoms [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 5. P. 16–24. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-05-16-24

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Сдвиги частоты магнитного резонанса, обусловленные спин-обменными столкновениями с участием оптически ориентированных атомов щелочных металлов в основном состоянии. Цель работы. Теоретическое исследование спин-обменных столкновений с участием оптически ориентированных пар различных щелочных атомов для определения температурных зависимостей сдвигов частоты линии их магнитного резонанса в условиях оптической
ориентации атомов с целью установления оптимальных условий для построения квантовых магнитометров с оптической накачкой на смесях щелочных атомов. Метод. В рамках квантовой теории рассеяния рассматриваются столкновения между оптически ориентированными щелочными атомами и на основании данных по потенциалам взаимодействия, описывающих димеры щелочных атомов, проводится расчет фаз рассеяния на этих потенциалах и мнимых частей комплексного сечения спинового обмена. Полученные энергетические зависимости сечений использованы для построения температурных зависимостей сдвигов частоты магнитного резонанса. Основные
результаты. Получены температурные зависимости сдвигов частоты линии магнитного резонанса для следующих пар щелочных атомов 39K – 133Cs, 39K – 85Rb и 133Cs – 85Rb. Установлено, что в случае пары щелочных атомов 39K – 85Rb в области температуры 480 K сдвиг линии магнитного резонанса проходит через ноль для сверхтонкого состояния F = 1, что свидетельствует об отсутствии негативного влияния спинового обмена на положение линии магнитного резонанса. Практическая значимость. Полученные в работе результаты могут быть использованы при создании приборов квантовой электроники, работающих на принципах оптической ориентации атомов и не имеющих спин-обменных сдвигов. В частности, при создании ко-магнитометров с оптической ориентацией щелочных атомов.

Ключевые слова:

оптическая ориентация атомов, спиновый обмен, сдвиги частоты магнитного резонанса

Коды OCIS: 020.0020, 020.3690, 290.5850

Список источников:

1. Chowdhury S.R. and Pradhan S. Optical pumping and relaxation of atomic population in assorted conditions // J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 2022. V. 55. № 16. P. 165502. https://doi.org/10.1088/1361-6455/ac7ca6
2. Happer W. Optical pumping // Rev. Mod. Phys. 1972. V. 44. № 2. P. 169–249. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.44.169
3. Вартанян Т.А. Современные проблемы оптики атомарных паров // Оптический журнал. 2016. Т. 83. № 11. C. 8–10. Vartanyan T.A. Introduction by the editor of this special issue // J. Opt. Technol. 2016. V. 83. № 11. P. 652–653. https://doi.org/10.1364/JOT.83.000652
4. Wilson N., Light P., Luiten A., and Perrella C. Ultrastable optical magnetometry // Phys. Rev. Appl. 2019. V. 11. № 4. P. 044034. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.11.044034
5. Pradhan S. Dual purpose atomic device for realizing atomic frequency standard and magnetic field measurement // US Patent № 9097750 B2. 2015. Publ. Aug. 4, 2015.
6. Petrenko M.V., Pazgalev A.S., Vershovskii A.K. Alloptical nonzero-field vector magnetic sensor for agnetoencephalography // Phys. Rev. Appl. 2023. V. 20. № 2. P. 024001. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied. 20.024001
7. Вершовский А.К., Дмитриев С.П., Петренко М.В. Спин-обменное уширение магнитного MX-резонанса в цезии // Письма ЖТФ. 2021. T. 47. № 8. С. 51–54. http://dx.doi.org/10.21883/PJTF.2021.08.50856.18654 Vershovskii A.K., Dmitriev S.P., Petrenko M.V. Spinexchange broadening of the magnetic MX resonance in cesium // Tech. Phys. Lett. 2021. V. 47. № 6. P. 421–424. http://dx.doi.org/10.1134/S1063785021040301
8. Ghezali S., Laurent Ph., Lea S.N., and Clairon A. An experimental study of the spin-exchange frequency shift in a laser-cooled cesium fountain frequency standard // Europhys. Lett. 1996. V. 36. № 1. P. 25–30. https://doi.org/10.1209/epl/i1996-00182-9
9. Budker D. and Romalis M. Optical magnetometry // Nature Phys. 2007. V. 3. № 4. P. 227–234. https://doi.org/10.1038/nphys566

10. Александров Е.Б., Балабас М.В., Вершовский А.К., Пазгалев А.С. Новая версия квантового магнитометра: однокамерный Cs–K тандем на четырехквантовом резонансе в 39K // ЖТФ. 2000. Т. 70. № 7. С. 118–124. Aleksandrov E.B., Balabas M.V., Vershovskii A.K., and Pazgalev A.S. A new model of a quantum magnetometer: A single-cell Cs-K tandem based on fourquantum resonance in 39K atoms // Tech. Phys. 2000. V. 45. № 7. P. 931–936. https://doi.org/10.1134/1.1259751
11. Chen Y., Quan W., Zou S., et al. Spin exchange broadening of magnetic resonance lines in a high-sensitivity rotating K-Rb-21Ne co-magnetometer // Sci. Rep. 2016. V. 6. Article P. 36547. https://doi.org/10.1038/srep36547
12. Радциг А.А., Смирнов Б.М. Справочник по атомной и молекулярной физике / Под ред. Безрукова В.Н. М.: Атомиздат, 1980. 240 с. Radzig A.A., Smirnov B.M. Handbook of atomic and molecular physics [in Russian] / Ed. Bezrukov V.N. Moscow: “Atomizdat” Publ., 1980. 240 p.
13. Сунакава С. Квантовая теория рассеяния / Пер. с япон. Иванчика А.А. под ред. Дремина И.М. М.: Мир, 1979. 268 c. Sunakawa S. Quantum scattering theory [in Russian] / Transl. from Japanese by Ivanchik A.A., ed. by Dremin I.M. Moscow: “Mir” Publ., 1979. 268 p.
14. Ferber R., Klincare I., Nikolayeva O., et al. The ground electronic state of KCs studied by Fourier transform spectroscopy // J. Chem. Phys. 2008. V. 128. № 24. P. 244316. https://doi.org/10.1063/1.2943677
15. Pashov A., Docencko O., Tamanis M., et al. Coupling of the X¹+ and a³+ states of KRb // Phys. Rev. A . 2007. V. 76. № 2. P. 022511. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.76.022511
16. Docencko O., Tamanis M., Ferber R., et al. Singlet and triplet potentials of the ground-state atom pair Rb + Cs studied by Fourier-transform spectroscopy // Phys. Rev. A. 2011. V. 83. № 5. P. 052519. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.83.052519
17. Xie F., Sovkov V.B., Lyyra A.M., et al. Experimental investigation of the Cs2 a 3u+ triplet ground state: Multiparameter morse long range potential analysis and molecular constants // J. Chem. Phys. 2009. V. 130. № 5. P. 051102. https://doi.org/10.1063/1.3075580
18. Amiot C. and Dulieu O. The Cs2 ground electronic state by Fourier transform spectroscopy: Dispersion coefficients // J. Chem. Phys. 2002. V. 117. № 11. P. 5155–5164. https://doi.org/10.1063/1.1499122
19. Strauss C., Takekoshi T., Lang F., Winkler K. Hyperfine, rotational, and vibrational structure of the a 3u+ state of 87Rb2 // Phys. Rev. A. 2010. V. 82. № 5. P. 052514. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.82.052514
20. Окуневич А.И. Спин-обменные сдвиги частоты в смеси щелочных атомов в атмосфере инертного газа // Опт. спектроск. 1995. Т. 79. № 5. С. 718–728. Okunevich A.I. Spin-exchange frequency shifts for a mixture of alkali atoms in an inert gas atmosphere [in Russian] // Opt. Spektrosc. 1995. V. 79. № 5. P. 718–728.
21. Картошкин В.А. Сдвиги частоты магнитного резонанса в тандемном Cs-K-магнитометре, обусловленные спиновым обменом // Опт. спектроск. 2020. T. 128. № 9. С. 1244–1248 http://dx.doi.org/10.21883/OS.2020.09.49859.125-20. Kartoshkin V.A. Magnetic-resonance frequency shifts in a tandem Cs-K magnetometer induced by spin exchange // Opt. Spectrosc. 2020. V. 128. № 9. P. 1355–1358. http://dx.doi.org/10.1134/S0030400X2009012X
22. Kartoshkin V.A. Frequency shifts of the magnetic resonance of Rb and K atoms in the K-Rb tandem magnetometer // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. V. 1697. № 1. P. 012146. http://dx.doi.org/10.1088/1742-6596/1697/1/012146
23. Картошкин В.А. Сдвиги частоты магнитного резонанса спин-поляризованных атомов цезия в смеси Cs-Rb // Опт. спектроск. 2018. Т. 125. № 1. С. 14–17. http://dx.doi.org/10.21883/OS.2018.07.46259.62-18 Kartoshkin V.A. Magnetic resonance frequency shifts of spin-polarized Cesium atoms in a Cs-Rb mixture // Opt. Spectrosc. 2018. V. 125. № 1. P. 10–13. http://dx.doi.org/10.1134/S0030400X18070159