无自旋交换弛豫原子磁力计及其零场-超低场核磁共振的应用

发布时间：2020-05-20 21:02

【摘要】：无自旋交换弛豫(spin-exchange relaxation free,SERF)原子磁力计是目前灵敏度最高的磁场探测器,具有对低频信号敏感、无需低温、功耗低、易小型化等优点,从而得到了广泛的应用,其中零场-超低场磁共振探测是其一个重要应用方向。相比于传统的高场核磁共振,零场-超低场磁共振具有无需低温、超窄线宽、谱学特性丰富等特点,已经被验证在化学结构分析、基础物理研究等方面具有重要应用价值。然而,零场-超低场核磁共振作为一个较新的领域,其理论基础和控制技术方面亟需发展。围绕“无自旋交换弛豫原子磁力计及其零场-超低场核磁共振的应用”这一课题,本人在攻读博士学位期间主要完成以下工作:1.在平台建设方面,主要参与搭建了铷原子SERF磁力计和零场-超低场核磁共振实验平台。通过对磁力计的工作温度、激光频率与波长等参数进行优化测试,实现了18fT/(?)的灵敏度;实现了零场强耦合自旋体系下自旋初态的制备、操控以及读出等操作,单次实验的核磁共振信噪比可达100。该工作为基于SERF磁力计的零场-超低场核磁共振的研究提供了必要的实验条件。2.在零场-超低场核磁共振谱学方面,基于搭建的实验平台,获得了一系列不同多自旋强耦合化学分子样品的零场-超低场核磁共振谱;通过将庞特里亚金最大值原理和对称约化方法结合,获得了在零场条件下两自旋体系的任意单自旋旋转的时间最优控制的解析解,并在搭建的实验平台实现了该最优控制操作,平均保真度达到99%,相比于之前的组合脉冲,该最优控制可节约70-80%的时间;3.在理论上将自旋交换光泵理论模型扩展到多原子气体分子体系,并探究了光泵技术极化气体分子的可行性,该工作对实现气体核磁共振具有一定的指导作用。
【图文】：

磁场测量技术作为认知物理世界的重要物理技术，已被广资源探测和生物医学中。由于对弱磁场测量技术的广泛需求，到不断地提高。激光器的诞生起，由于其光学抽运效率高，泵原子磁力计中。在碱金属原子磁力计中，工作介质主要有外层电子通过光泵方法获得极化度，且在外部磁场作用下动频率可以获得磁场大小。其基本原理如图１．１所示，将一子获得极化度，在外磁场作用下原子极化矢量做拉莫尔进动；向上有一束线偏振光，用以探测进动原子极化度在该方向上对线偏振光中左、右旋偏振分量的折射率不同，在通过气体偏振方向会发生变化；通过检测偏振度的变化，可以获得磁年的发展，原子磁力计已经具有非常高的灵敏度，其中无自ｘｃｈａｎｇｅ邋ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ邋ｆｒｅｅ，邋ＳＥＲＦ）原子磁力计具有极高的灵敏论上可达到２邋ａＴ／邋ｖ＾［７］，，目前已实现的灵敏度为０．１６仃／超过基于超导量子干涉器件（ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ邋ｑｕａｎｔｕｍ邋ｉｎｔｅＵＩＤ）的磁力计。在下文中我们将对碱金属磁力计的发展进

图１．２芯片级原子磁力计，（ａ）为结构示意图，（ｂ）为实物图。逡逑（ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ邋ｓｙｓｔｅｍｓ）技术实现芯片级原子磁力计，其体积约为？逡逑２５ｃｍ３，磁力计灵敏度为５ｐＴ／ｙ＾，带宽为１－ｌＯＯＨｚ。其装置为图１．２，左侧图逡逑代表探头示意图，从下到上依次为激光器、聚酰亚胺垫片、光学系统（包括中逡逑性片、起偏器，四分之一波片、中性片）、加热系统、带有ｒｆ线圈的Ｒｂ气体室逡逑和光电二极管；右图为实物图，金色线为导线［１３］。２０１０年，Ｍ．Ｗｅｉｓｅｍｌ等人通逡逑过二向色性光学装置将泵浦光和探测光集中在一光轴上，其装置如图１．３所示。逡逑在此装置中，探测光和泵浦光源于两个独立光源，参数可分别调节，但是两束光逡逑２逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O657.2;TH89

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本文编号：2673198