SERF

**스핀 교환 이완 없는 자기계**(spin exchange relaxation-free magnetometer, SERF magnetometer)는 2000년대 초 프린스턴 대학교에서 개발된 자기계의 한 유형이다. SERF 자기계는 레이저를 사용하여 증기 상태의 알칼리 금속 원자 간의 상호작용과 자기장을 감지하여 자기장을 측정한다.

이 기술의 이름은 일반적으로 원자 스핀의 방향을 뒤섞는 메커니즘인 스핀 교환 이완이 이 자기계에서는 회피된다는 사실에서 비롯된다. 이는 높은 밀도(1014 cm−3)의 칼륨 원자와 매우 낮은 자기장을 사용하여 이루어진다. 이러한 조건에서 원자들은 자기 세차 운동 주파수에 비해 스핀을 빠르게 교환하여 평균 스핀이 자기장과 상호작용하고 비결맞음성에 의해 파괴되지 않는다.

SERF 자기계는 거의 0에 가까운 자기장에서 세차 운동하는 고밀도 알칼리 금속 원자 증기를 모니터링하여 매우 높은 자기장 감도를 달성한다. SERF 자기계는 알칼리 금속 원자 간의 스핀 교환 충돌로 인한 원자 스핀 비결맞음성의 주요 원인을 제거함으로써 기존 원자 자기계보다 감도를 향상시킨다. SERF 자기계는 가장 민감한 자기장 센서 중 하나이며, 어떤 경우에는 동일한 크기의 SQUID 검출기의 성능을 능가한다. 칼륨 증기를 포함하는 작은 1&nbsp;cm3 부피의 유리 셀은 1 fT/의 감도를 보고했으며, 더 큰 부피에서는 이론적으로 훨씬 더 민감해질 수 있다. 이들은 자기장의 세 가지 구성 요소를 동시에 측정할 수 있는 벡터 자기계이다.

## 스핀 교환 이완

스핀 교환 충돌은 충돌하는 원자 쌍의 총 각운동량을 보존하지만 원자의 초미세 구조 상태를 뒤섞을 수 있다. 다른 초미세 상태에 있는 원자들은 일관되게 세차 운동하지 않으므로 원자의 일관성 수명을 제한한다. 그러나 스핀 교환 충돌이 원자의 세차 운동 주파수보다 훨씬 빠르게 발생하면 스핀 교환 충돌로 인한 비결맞음성을 거의 제거할 수 있다. 빠른 스핀 교환의 이러한 영역에서 앙상블의 모든 원자는 초미세 상태를 빠르게 변경하여 각 초미세 상태에서 동일한 시간을 보내고 스핀 앙상블이 더 느리게 세차 운동하지만 일관성을 유지하게 한다. 이른바 SERF 영역은 충분히 높은 알칼리 금속 밀도(더 높은 온도에서)와 충분히 낮은 자기장에서 작동함으로써 도달할 수 있다.

낮은 분극화를 겪는 원자들의 느린 스핀 교환에 대한 스핀 교환 이완율 R_{se}는 다음과 같이 표현될 수 있다.
:
R_{se} = \frac{1}{2 \pi T_{se}} \left( \frac{2 I(2 I -1)}{3(2I+1)^2} \right)

여기서 T_{se}는 스핀 교환 충돌 사이의 시간, I는 핵 스핀, \nu는 자기 공명 주파수, \gamma_e는 전자의 자기회전비율이다.

빠른 스핀 교환 및 작은 자기장 한계에서, 스핀 교환 이완율은 충분히 작은 자기장에 대해 사라진다.
:
R_{se} = \frac{\gamma_e^2 B^2 T_{se} }{2 \pi} \frac{1}{2}\left( 1-\frac{(2I+1)^2}{Q^2} \right)

여기서 Q는 전자와 핵 스핀 사이의 각운동량 공유를 설명하는 "감속" 상수이다.
:Q(I=3/2)=4\left( 2 - \frac{4}{3+P^2} \right)^{-1}
:Q(I=5/2)=6\left( 3 - \frac{48(1+P^2)}{19+26 P^2+3 P^4} \right)^{-1}
:Q(I=7/2)=8\left( \frac{4(1+7P^2+7P^4+P^6)}{11+35P^2+17P^4+P^6} \right)^{-1}
여기서 P는 원자의 평균 분극화이다. 빠른 스핀 교환을 겪는 원자는 완전히 분극화되지 않았을 때 더 느리게 세차 운동하는데, 이는 다른 초미세 상태에서 다른 주파수(또는 반대 방향)로 세차 운동하는 시간의 일부를 보내기 때문이다.

섬네일|center|600px|자기장 함수로서 원자의 자기 공명 선폭으로 표시된 이완율 <math>R_{tot} = Q \Delta \nu</math>. 이 선들은 160, 180, 200 °C의 칼륨 증기를 사용하여 3 atm 헬륨 완충 가스, 60 Torr N<sub>2</sub> 퀀칭 가스가 있는 2 cm 직경 셀에서 작동하는 것을 나타낸다. SERF 영역은 스핀 교환 충돌이 스핀 세차 운동보다 훨씬 빠르게 발생하는 충분히 낮은 자기장에서 명확하게 나타난다.

## 감도

원자 자기계의 감도 \delta B는 다음 식에 따라 원자 수 N와 스핀 일관성 수명 T_2에 의해 제한된다.
:\delta B = \frac{1}{\gamma} \sqrt{\frac{2 R_{tot} Q}{F_z N} }
여기서 \gamma는 원자의 자기회전비율이고 F_z는 총 원자 스핀 F = I+S의 평균 분극화이다.

스핀 교환 이완이 없는 경우, 다양한 다른 이완 메커니즘이 원자 스핀의 비결맞음성에 기여한다.
:R_{tot} = R_D + R_{sd,self} + R_{sd,\mathrm{He}} + R_{sd,\mathrm{N_2}} 
여기서 R_D는 셀 벽과의 충돌로 인한 이완율이며 R_{sd,X}는 알칼리 금속 원자 간의 충돌 및 알칼리 원자와 존재하는 다른 기체 간의 충돌에 대한 스핀 파괴율이다.

최적의 구성에서 1&nbsp;cm3 증기 셀에 1014 cm−3의 칼륨 원자가 ~3 기압의 헬륨 완충 가스와 함께 있으면 이완율 R_{tot} ≈ 1&nbsp;Hz로 10 aT Hz−1/2 (10−17 T Hz−1/2)의 감도를 달성할 수 있다.

## 일반적인 작동

섬네일|300px|원자 자기계 작동 원리, 원형 편광 펌프 빔에 의해 편광되고 자기장 내에서 세차 운동하며 선형 편광 프로브 빔의 광학 회전에 의해 감지되는 알칼리 원자를 묘사한다.

충분한 밀도의 알칼리 금속 증기는 증기 셀 내의 고체 알칼리 금속을 단순히 가열함으로써 얻어진다. 일반적인 SERF 원자 자기계는 저소음 다이오드 레이저를 활용하여 스핀 세차 운동을 편광하고 모니터링할 수 있다. D1 스펙트럼 공명선에 맞춰진 원형 편광 펌프광이 원자를 편광시킨다. 직교 프로브 빔은 선형 편광광의 광학 회전을 사용하여 세차 운동을 감지한다. 일반적인 SERF 자기계에서 스핀은 세차 운동 주파수가 이완율에 비해 느리기 때문에 매우 작은 각도로 기울어진다.

## 장점 및 단점

SERF 자기계는 다양한 응용 분야에서 SQUID 자기계와 경쟁한다. SERF 자기계는 다음과 같은 장점이 있다.
* 단위 부피당 같거나 더 나은 감도
* 극저온 냉각 없이 작동
* 모든 광학 측정은 이미징을 가능하게 하고 간섭을 제거한다
잠재적인 단점:
* 0에 가까운 자기장에서만 작동 가능
* 센서 증기 셀은 가열되어야 함

## 응용 분야

SERF 자기계의 높은 감도를 활용하는 응용 분야에는 다음이 포함된다.
* 고성능 뇌자도 영상
* 샘플 자화 측정, 특히 암석 샘플

## 역사

섬네일|300px|SERF 구성 요소 모형

SERF 자기계는 2000년대 초 프린스턴 대학교의 마이클 로말리스에 의해 개발되었다. 스핀 교환 이완 억제를 지배하는 기본 물리학은 수십 년 전에 윌리엄 해퍼에 의해 개발되었지만 당시에는 자기장 측정에 대한 응용이 탐구되지 않았다. "SERF"라는 이름은 해양 은유에서 SQUID 검출기와의 관계에 의해 부분적으로 동기 부여되었다.

## 각주


## 외부 링크
* 프린스턴 대학교 로말리스 그룹의 SERF 자기계 사진
* 스핀 교환 이완 없는(SERF) 자기계

분류:계측기
분류:미국의 발명품