Optisch gepumpte Magnetometer mit reduzierter Spin-Austausch-Relaxation im Erdmagnetfeld

Scholtes, Theo

Optisch gepumpte Magnetometer (OPM) nutzen den Zeeman-Effekt in (Alkali-)Atomen aus, welcher mittels Elektronenspinresonanz (ESR) in Doppelresonanztechnik optisch detektiert wird (ODMR). Dadurch werden extrem sensitive Magnetfeldsensoren möglich, deren Empfindlichkeit mit denen von supraleitenden Quanteninferenzdetektoren (SQUID) konkurrieren kann, jedoch ohne Kryogenik auskommt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuer Betriebsmodus optisch gepumpter Magnetometer vorgestellt und detailliert untersucht - das Light-Narrowing-Mx-Magnetometer. Es basiert auf selektivem optischem Pumpen der Hyperfeinstruktur des Cäsiumatoms mittels wohlabgestimmten, intensiven Laserlichtes. Die Überlappung der optischen Hyperfeinübergänge der Cäsium-D1-Linie in einer mit Puffergas gefüllten, miniaturisierten Zelle wird genutzt, um unter Verwendung nur eines Lasers eine Besetzungsverteilung im Grundzustand des Ensembles der Cäsium-Atome zu generieren, welche zu einer markanten Verbesserung der Empfindlichkeit des Sensors führt. Diese Verbesserung im neuen LN-Regime gegenüber dem gewöhnlichen Betriebsmodus resultiert einerseits aus der Vergrößerung des magnetischen Resonanzsignals durch Nutzung fast aller Atome des Ensembles für die Signalgeneration und andererseits - vermöge der Reduktion der Leistungsverbreiterung durch das Laserlicht und der Unterdrückung der Spin-Austausch-Relaxation - aus der Verkleinerung der Resonanzbreite. Anwendungen des Sensors sind die hochempfindliche, mobile Vermessung des Erdmagnetfeldes für Fragestellungen der Geophysik, Rohstoffexploration bzw. der archäologischen Prospektion, die medizinische Diagnostik, wie zum Beispiel die Magnetokardiographie (MKG), oder die Detektion magnetischer Bakterien in Lösungen. Auch die zukünftige Verwendung zur Verfolgung magnetisch markierter Wirkstoffe innerhalb eines lebenden Organismus, bei der Magnetorelaxometrie von Nanopartikeln (MNP) oder in der Niederfeld-Kernspinresonanzspektroskopie (ULF-NMR) ist vorstellbar.

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Scholtes, Theo: Optisch gepumpte Magnetometer mit reduzierter Spin-Austausch-Relaxation im Erdmagnetfeld. 2016.

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