High-Sensitivity Atomic Magnetometer Unaffected by Spin-Exchange Relaxation

磁强计 物理 灵敏度(控制系统) 自旋(空气动力学) 凝聚态物理 放松(心理学) 磁场 核磁共振 原子物理学 量子力学 心理学 电子工程 社会心理学 热力学 工程类
作者
Joel C. Allred,Robert Lyman,T. W. Kornack,Michael Romalis
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:89 (13) 被引量:739
标识
DOI:10.1103/physrevlett.89.130801
摘要

Alkali-metal magnetometers compete with SQUID detectors as the most sensitive magnetic field sensors. Their sensitivity is limited by relaxation due to spin-exchange collisions. We demonstrate a K magnetometer in which spin-exchange relaxation is completely eliminated by operating at high K density and low magnetic field. Direct measurements of the signal-to-noise ratio give a magnetometer sensitivity of $10\text{ }\mathrm{f}\mathrm{T}\text{ }\mathrm{H}{\mathrm{z}}^{\mathrm{\ensuremath{-}}\mathrm{1}\mathrm{/}\mathrm{2}}$, limited by magnetic noise produced by Johnson currents in the magnetic shields. We extend a previous theoretical analysis of spin exchange in low magnetic fields to arbitrary spin polarizations and estimate the shot-noise limit of the magnetometer to be $2\ifmmode\times\else\texttimes\fi{}{10}^{\ensuremath{-}18}\text{ }\mathrm{T}\text{ }\mathrm{H}{\mathrm{z}}^{\mathrm{\ensuremath{-}}\mathrm{1}\mathrm{/}\mathrm{2}}$.
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