[h=2]
پژوهش‌گران با استفاده از سلولهای چندگذره، مغناطیس‌سنج اتمی را ساخته‌اند که می‌تواند خارج از حفاظ مغناطیسی با بالاترین دقت عمل کند.
مغناطیس‌سنج اتمی که می‌تواند میدان‌های مغناطیسی یکصد میلیارد بار کوچکتر از میدان زمین را شناسایی کند و به هیچ محافظت خاصی از میدان زمین نیاز ندارد، توسط گروهی از پژوهش‌گران بین‌المللی توسعه داده شده است. این گروه معتقد است که دستگاه آن‌ها مبتنی بر سلولهای بخار اتمی چندگذره (multi-pass atomic vapour cells) بوده و می‌تواند در کاربردهای مختلف سنجش مغناطیسی از جمله اندازه‌گیری میدان‌های مغناطیسیِ بیولوژیکی، پاک‌سازی معادن زمینی و هم‌چنین در آزمایش‌های فیزیک بنیادی و زمین‌شناسی مورد استفاده قرار گیرد.
اگرچه مغناطیس‌سنج‌های اتمی که از گازهای اتمی روبیدیوم یا سزیم تشکیل شده است، از حدود 50 سال پیش وجود داشته‌اند اما تنها به تازگی است که به نمونه‌ای با حساسیت بالا و طراحی جمع‌و جور که به خنک‌کننده‌ی برودتی گران‌قیمت نیاز ندارد، ارتقا پیدا کرده است.
مقیاس‌های حساس
متاسفانه این آشکارسازهای اتمی زمانی که میدان‌های مغناطیسی ضعیفی را اندازه‌گیری می‌کنند، باید از میدان مغناطیسی زمین به خوبی محافظت شوند. اکنون مایک رومالیس (Mike Romalis)، دانگ شنگ (Dong Sheng) و همکارانش از دانشگاه پرینستون آمریکا و دانشگاه علم و صنعت ژجیانگِ چین، مغناطیس‌سنج اتمی را به نمونه‌ای با حساس‌ترین و کوچکترین مقیاس ممکن توسعه داده‌اند که نیازی به حفاظ‌سازی نیز ندارد.
مغناطیس‌سنج‌های اتمی با آشکارسازی چگونگی تغییر سطوح انرژی اتم‌ها به واسطه‌ی میدان مغناطیسی خارجی کار می‌کنند. این همان اثر زیمان معروف است؛ یک اثر کوانتومی که به موجب آن حالت‌های اسپینی مغناطیسی در یک اتم در حضور یک میدان مغناطیسی خارجی شکافته می‌شوند. این برهم‌کنش بین گشتاور مغناطیسی اتمی و میدان خارجی جهت اندازه‌گیری میدان مورد استفاده قرار می‌گیرد. به طور معمول این کار با استفاده از یک لیزر دمشی (pump laser) جهت قطبی‌کردن اتم‌ها به وسیله‌ی تجمع حالت‌های اسپینی خاصی انجام می‌شود در حالی که یک لیزر پروب (probe laser) حرکت تقدیمی اسپینی را اندازه‌گیری می‌کند که با میدان مغناطیسی متناسب است.
بسامد گذار زیمان مستقل از جهت میدان مغناطیسی است (فقط به اندازه‌ی آن بستگی دارد). و به همین دلیل است که دستگاه به عنوان یک حسگر مقیاسی شناخته شده است. رومالیس توضیح می‌دهد: «این مغناطیس‌سنج در مقایسه با انواع دیگر حسگرهای مغناطیسی، یک نمونه‌ی منحصر به فرد برای آینده به شمار می‌رود. این سودمند است که مغناطیس‌سنج بتواند خارج از حفاظ مغناطیسی عمل کند. زیرا به جهت گیری حسگر نسبت به میدان زمین حساس نیست.» او خاطر نشان می‌کند که این بسامد با دقت بالایی اندازه‌گیری می‌شود و این، امکان رفع تغییرات کوچک در میدان به واسطه‌ی میدان مغناطیسی زمین را فراهم می‌سازد.
طراحی‌های جدید
رومالیس می‌گوید که «نوآوری اساسی» مربوط به دستگاه آن‌ها، استفاده از سلولهای چندگذره است. این سلول‌ها سابق بر این جهت بهبود حساسیت آشکارسازی اندازه‌گیری‌های اپتیکی به وسیله‌ی حرکت رفت‌و‌برگشتی باریکه‌ی لیزر پروب در سلول به کار می‌رفته است تا به این ترتیب بارها با اتم‌ها برهم‌کنش داشته باشد. رومالیس می‌گوید: «این، سیگنال چرخشی اپتیکی بزرگی را به دست می‌دهد.» پژوهش‌گران از مغناطیس‌سنج خود در حالت پالسی استفاده کردند به گونه‌ای که اتم‌ها به سرعت از نظر اپتیکی دمش پیدا کنند تا به قطبیدگی تقریباً کاملی دست یابند و بنابراین اندازه‌گیری‌ها بسیار سریع انجام شود؛ در عرض یک میلی ثانیه از دمش لیزری. رومالیس می‌افزاید: «این واهلش، برخورد‌های بین اتمی را سرکوب می‌کند و به ما این اجازه را می‌دهد که به حساسیت‌های به مراتب بیشتر از قبل دست یابیم.» این زمان اندازه‌گیری سریع که قبل از واهلش اسپینی اتفاق می‌افتد، هم‌چنین نویز درون سیستم را کاهش می‌دهد. با این تغییرات، این گروه نشان داد که حساسیت دستگاه آن‌ها هم‌تراز با بهترین حسگرهای موجود است در حالی که در یک میدان مغناطیسی محدود و بدون هیچ حفاظی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
آن‌ها اشاره می‌کنند که این حسگر می‌تواند کاربردهای بسیاری داشته باشد مانند جستجوی گشتاورهای دو قطبی الکتریکی دائمی، آشکارسازی سیگنال‌های MNR، تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) میدان‌های ضعیف و نقشه‌برداری ژئومغناطیسی. رومالیس می‌گوید که در حال حاضر این گروه در تلاش برای کاهش اندازه‌ی این حسگر و وصل کردن نور ورودی به چشمه از طریق یک فیبر است که این کار دستگاه را بیشتر قابل حمل می‌کند.
این پژوهش در مجله‌ی Physical Review Letters منتشر شده است.
منبع: http://physicsworld.com/cws/article/...-sensitive-yet
مرجع: http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i16/e160802
مغناطیس‌سنج اتمی که می‌تواند میدان‌های مغناطیسی یکصد میلیارد بار کوچکتر از میدان زمین را شناسایی کند و به هیچ محافظت خاصی از میدان زمین نیاز ندارد، توسط گروهی از پژوهش‌گران بین‌المللی توسعه داده شده است. این گروه معتقد است که دستگاه آن‌ها مبتنی بر سلولهای بخار اتمی چندگذره (multi-pass atomic vapour cells) بوده و می‌تواند در کاربردهای مختلف سنجش مغناطیسی از جمله اندازه‌گیری میدان‌های مغناطیسیِ بیولوژیکی، پاک‌سازی معادن زمینی و هم‌چنین در آزمایش‌های فیزیک بنیادی و زمین‌شناسی مورد استفاده قرار گیرد.
اگرچه مغناطیس‌سنج‌های اتمی که از گازهای اتمی روبیدیوم یا سزیم تشکیل شده است، از حدود 50 سال پیش وجود داشته‌اند اما تنها به تازگی است که به نمونه‌ای با حساسیت بالا و طراحی جمع‌و جور که به خنک‌کننده‌ی برودتی گران‌قیمت نیاز ندارد، ارتقا پیدا کرده است.
مقیاس‌های حساس
متاسفانه این آشکارسازهای اتمی زمانی که میدان‌های مغناطیسی ضعیفی را اندازه‌گیری می‌کنند، باید از میدان مغناطیسی زمین به خوبی محافظت شوند. اکنون مایک رومالیس (Mike Romalis)، دانگ شنگ (Dong Sheng) و همکارانش از دانشگاه پرینستون آمریکا و دانشگاه علم و صنعت ژجیانگِ چین، مغناطیس‌سنج اتمی را به نمونه‌ای با حساس‌ترین و کوچکترین مقیاس ممکن توسعه داده‌اند که نیازی به حفاظ‌سازی نیز ندارد.
مغناطیس‌سنج‌های اتمی با آشکارسازی چگونگی تغییر سطوح انرژی اتم‌ها به واسطه‌ی میدان مغناطیسی خارجی کار می‌کنند. این همان اثر زیمان معروف است؛ یک اثر کوانتومی که به موجب آن حالت‌های اسپینی مغناطیسی در یک اتم در حضور یک میدان مغناطیسی خارجی شکافته می‌شوند. این برهم‌کنش بین گشتاور مغناطیسی اتمی و میدان خارجی جهت اندازه‌گیری میدان مورد استفاده قرار می‌گیرد. به طور معمول این کار با استفاده از یک لیزر دمشی (pump laser) جهت قطبی‌کردن اتم‌ها به وسیله‌ی تجمع حالت‌های اسپینی خاصی انجام می‌شود در حالی که یک لیزر پروب (probe laser) حرکت تقدیمی اسپینی را اندازه‌گیری می‌کند که با میدان مغناطیسی متناسب است.
بسامد گذار زیمان مستقل از جهت میدان مغناطیسی است (فقط به اندازه‌ی آن بستگی دارد). و به همین دلیل است که دستگاه به عنوان یک حسگر مقیاسی شناخته شده است. رومالیس توضیح می‌دهد: «این مغناطیس‌سنج در مقایسه با انواع دیگر حسگرهای مغناطیسی، یک نمونه‌ی منحصر به فرد برای آینده به شمار می‌رود. این سودمند است که مغناطیس‌سنج بتواند خارج از حفاظ مغناطیسی عمل کند. زیرا به جهت گیری حسگر نسبت به میدان زمین حساس نیست.» او خاطر نشان می‌کند که این بسامد با دقت بالایی اندازه‌گیری می‌شود و این، امکان رفع تغییرات کوچک در میدان به واسطه‌ی میدان مغناطیسی زمین را فراهم می‌سازد.
طراحی‌های جدید
رومالیس می‌گوید که «نوآوری اساسی» مربوط به دستگاه آن‌ها، استفاده از سلولهای چندگذره است. این سلول‌ها سابق بر این جهت بهبود حساسیت آشکارسازی اندازه‌گیری‌های اپتیکی به وسیله‌ی حرکت رفت‌و‌برگشتی باریکه‌ی لیزر پروب در سلول به کار می‌رفته است تا به این ترتیب بارها با اتم‌ها برهم‌کنش داشته باشد. رومالیس می‌گوید: «این، سیگنال چرخشی اپتیکی بزرگی را به دست می‌دهد.» پژوهش‌گران از مغناطیس‌سنج خود در حالت پالسی استفاده کردند به گونه‌ای که اتم‌ها به سرعت از نظر اپتیکی دمش پیدا کنند تا به قطبیدگی تقریباً کاملی دست یابند و بنابراین اندازه‌گیری‌ها بسیار سریع انجام شود؛ در عرض یک میلی ثانیه از دمش لیزری. رومالیس می‌افزاید: «این واهلش، برخورد‌های بین اتمی را سرکوب می‌کند و به ما این اجازه را می‌دهد که به حساسیت‌های به مراتب بیشتر از قبل دست یابیم.» این زمان اندازه‌گیری سریع که قبل از واهلش اسپینی اتفاق می‌افتد، هم‌چنین نویز درون سیستم را کاهش می‌دهد. با این تغییرات، این گروه نشان داد که حساسیت دستگاه آن‌ها هم‌تراز با بهترین حسگرهای موجود است در حالی که در یک میدان مغناطیسی محدود و بدون هیچ حفاظی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
آن‌ها اشاره می‌کنند که این حسگر می‌تواند کاربردهای بسیاری داشته باشد مانند جستجوی گشتاورهای دو قطبی الکتریکی دائمی، آشکارسازی سیگنال‌های MNR، تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) میدان‌های ضعیف و نقشه‌برداری ژئومغناطیسی. رومالیس می‌گوید که در حال حاضر این گروه در تلاش برای کاهش اندازه‌ی این حسگر و وصل کردن نور ورودی به چشمه از طریق یک فیبر است که این کار دستگاه را بیشتر قابل حمل می‌کند.
این پژوهش در مجله‌ی Physical Review Letters منتشر شده است.
منبع: http://physicsworld.com/cws/article/...-sensitive-yet
مرجع: http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i16/e160802