Введение
Описание кюветы
Взаимодействие атомов щелочных металлов с покрытием
Оптическая накачка
Описание метода
Описание эксперимента
Результаты измерений
Заключение
Литература
Моя работа связана с исследованиями, направленными на создание долгоживущих
квантовых состояний паров атомов щелочных металлов в кювете с антирелаксационным
покрытием на стенках. Кювета представляет собой вакуумированную сферическую
стеклянную ячейку, называемую рабочим объемом, с отростком, в который помещена капля
щелочного металла. Конкретно в данной работе исследуется ориентация их спинов или, как
ее еще называют, спиновая поляризация.
Для того, чтобы сохранить поляризацию спина щелочных атомов в кювете,
необходимо сделать так, чтобы щелочные атомы не сталкивались с ее стеклянными
стенками, так как взаимодействие атома щелочного металла с такой стенкой ведет к полной
потере ориентации. Поэтому время релаксации в кювете, содержащей только лишь пары
атомов щелочных металлов, равняется среднему времени пролета атома между стенками
кюветы. Для того, чтобы состояние жило дольше этого среднего времени, нужно вносить
изменения в ее конструкцию.
На данный момент существует два подхода к решению данной проблемы. Первый
подход состоит в том, чтобы заполнить внутренний объем кюветы, в котором находятся
пары щелочных металлов, инертным буферным газом с давлением от единиц до сотен Торр,
столкновения с которым не будут разрушать спиновую поляризацию. Такой газ обладает
обычно малым сечением столкновения с потерей ориентации. Таким образом, увеличивается
время пролета – диффузии - атома щелочного металла между стенками.
У данного подхода есть свои плюсы такие как: технологическая простота
изготовления и идентичность характеристик у одинаково изготовленных кювет. Также для
такой кюветы не предъявляется повышенных требований к чистоте внутренней поверхности
стенки. Однако у данного подхода есть и минусы. Среди них уширение линии оптического
поглощения и ее частотный сдвиг, перемешивание атомов щелочного металла в
возбужденном состоянии из-за столкновения с буферным газом, что уменьшает
эффективность оптической накачки, а также высокая чувствительность сигнала двойного
оптического резонанса к градиенту магнитного поля.
Второй подход состоит в том, чтобы покрыть стенки кюветы, антирелаксационным
покрытием, столкновение с которым не будет разрушать поляризацию атомов. Для этих
целей используют предельные углеводороды парафинового типа, от которого атомы могут
отскакивать десять и более тысяч раз без разрушения ориентации спина. Такой метод
первым предложил в пятидесятых годах Рамси [1] Робинсон, Энсберг и Демельт первыми
применили такой способ для атомов щелочных металлов, чему была посвящена их статья [2].4
Из-за того, что в таком случае атомы щелочных металлов свободно летают от стенки
до стенки, данные кюветы менее чувствительны к градиенту магнитного поля, чем кюветы с
буферным газом. Оптическая накачка более эффективна в таких кюветах из-за отсутствия
перемешивания в возбужденном состоянии, что позволяет получить высокий контраст
резонансов для разрешенного спектра электронного парамагнитного резонанса. Эти
преимущества важны для квантовой магнитометрии. Но существенным становится сдвиг
частоты сверхтонкого зеемановского перехода из-за столкновения с покрытием и его
зависимость от температуры. Также воспроизводимость характеристик кюветы существенно
ниже, чем для кювет с буферным газом. Эти минусы снижают точность измерений и делают
такого типа кюветы непригодными для стандартов частоты.
Считается, что в кювете, в которой реализован второй подход, в рабочем объеме нет
ничего кроме паров щелочных металлов, и щелочной атом может свободно летать от одной
стенки до другой без столкновений в объеме ячейки. Однако в статье Робинсона и соавторов
описывается результат масс-спектроскопического исследования содержимого подобной
кюветы [3], где показано, что в рабочем объеме присутствует фоновый газ. Его наличие
говорит о том, что такой кювете также могут быть присущи недостатки кюветы, в которой
для сохранения спиновой ориентации используют буферный газ.
В эксперименте, который провели японские физики Секигучи и Хакатеяма, была
определена частота изменяющих скорость столкновений поляризованных атомов рубидия,
что и было описано в их статье [4]. По величине частоты изменяющих скорости состояний
определили среднюю длину свободного пробега атома щелочного металла в рабочем объеме
кюветы. Было найдено, что атомы не движутся свободно от стенки до стенки, а сталкиваются
с частицами фонового газа.
В классической работе Мари-Энн Бушиа для удаления молекул фонового газа,
возникающего из-за взаимодействий атомов щелочного металла с материалом покрытия, был
применен бариевый геттер [5].
Цель моей работы состоит в том, чтобы освоить данный метод определения средней
длины свободного пробега атомов рубидия в кювете с антирелаксационным покрытием
далее применить его для исследования ячеек с покрытием без геттера и с геттером, который
абсорбирует молекулы фонового газа. Знание величины средней длины свободного пробега
позволит сделать вывод о наличии фонового газа в рабочем объеме ячейки.
Результатом проведенной работы является освоение метода, основанного на
селективной по скоростям оптической накачке. На данный момент существует рабочая
экспериментальная установка, на которой можно проводить исследования, и разработана
методика по обработке данных.
В магистратуре планируется улучшение характеристик установки, что будет
заключаться в нахождении способа по увеличению соотношения сигнал-шум, уменьшению
времени накачки, изготовление и использование пластинок, дающих более качественную
круговую поляризацию, нахождения путей для устранения искажений в распределении
интенсивности измерительного луча. Также планируется провести измерения для других
кювет, в частности для кюветы с геттером.
Я выражаю благодарность Михаилу Владленовичу Балабасу за руководство работой.
Также хочу поблагодарить сотрудников ресурсного центра «Оптические и лазерные методы
исследования вещества» Шимко Александра Анатольевича и Калиничева Алексея
Андреевича за неоценимую помощь при подготовке установки и проведении опыта.
