Ultrahigh-density spin-polarized hydrogen isotopes from the photodissociation of hydrogen halides

Abstract

Πρόσφατα, η επιστημονική μας ομάδα επέδειξε την παραγωγή ατόμων πολωμένου υδρογόνου, σε υπερηψηλές πυκνότητες της τάξης του 10^(19) cm^(−3), από φωτοδιάσπαση μορίων υδραλογόνου με κυκλικά πολωμένους παλμούς λασερ σε υπεριώδη μήκη κύματος. Η ανίχνευση των ατόμων έγινε με τη χρήση ενός πηνίου, το οποίο μπορεί να ανιχνεύει απότομες αλλαγές στη μαγνήτιση από τις κβαντικές ταλαντώσεις που δημιουργούνται μετά την πόλωση των ατόμων, λόγω της υπέρλεπτης υφής του Υδρογόνου. Οι πυκνότητες αυτές είναι περίπου 7 τάξεις μεγέθους υψηλότερες από αυτές που επιτυγχάνονται με συμβατικές μεθόδους, κάτι που ανοίγει το δρόμο για μια σειρά από νέες εφαρμογές, όπως η υπερταχεία μαγνητομετρία, η παραγωγή πολωμένων ακτίνων σωματιδίων με ενέργειες τάξης MeV και GeV (ακτίνες ηλεκτρονίων με εντάσεις περίπου 4 τάξεις μεγέθους υψηλότερες από ό,τι επιτυγχάνεται με τις υπάρχουσες πηγές), και η μελέτη της πυρηνικής σύντηξης με πολωμένα καύσιμα, όπου οι ενεργοί διατομές για τις αντιδράσεις D−T και D−3He ενισχύονται κατά 50%. Μια από τις σημαντικές ερωτήσεις που αφορούν την παραγωγή πολωμένων ισοτόπων του υδρογόνου με αυτή τη μέθοδο είναι ο ρυθμός της αποπόλωσης των ατόμων αυτών, όταν αυτά παράγονται στο όριο όπου τα μόρια του υδραλογόνου φωτοδιασπώνται πλήρως, και τα παραγώμενα πολωμένα άτομα Υδρογόνου αντιδρούν μόνο με τα άτομα αλογόνου που βρίσκονται στον όγκο της φωτοδιάσπασης. Σε αυτό το όριο, ο ρυθμός αποπόλωσης αναμένεται να είναι υψηλός, αλλά προηγούμενες μετρήσεις σε πυκνότητες της τάξης του 10^(18) −10^(19) cm^2 έδειξαν χρόνους ζωής της τάξης των δεκάδων νς για πολωμένα άτομα Υδρογόνου και Δευτερίου τα οποία παρήχθησαν από φωτοδιάσπαση Υδροβρωμίου και Ιωδιούχου Δευτερίου, αντίστοιχα. Αυτοί οι χρόνοι ζωής ήταν 2 τάξεις μεγέθους υψηλότεροι από ό,τι θα αναμενόταν εάν η ενεργός διατομή αποπόλωσης από ανταλλαγή σπιν μεταξύ Υδρογόνου και αλογόνων ήταν συγκρίσιμη με αυτή μεταξύ Υδρογόνου και αλκαλίων (∼ 2×10^(−15) cm^2).Σε αυτή τη μελέτη παρουσιάζονται μετρήσεις του ρυθμού αποπόλωσης πολωμένων Υδρογόνων από τη φωτοδιάσπαση Υδροχλωρίου, σε πυκνότητα περίπου μια τάξη μεγέθους υψηλότερη από τις παραχθείσες σε Υδροβρώμιο και Ιωδιούχο Δευτέριο. Από τις μετρήσεις αυτές εξάγεται μια εκτίμηση για την ενεργό διατομή της ανταλλαγής σπιν μεταξύ Υδρογόνου και Χλωρίου: σ(SEH−Cl)= 7×10^(−17) cm^2. Η μέτρηση αυτή είναι η πρώτη που διεξάγεται για αυτή την ποσότητα. Οι υψηλές πυκνότητες πολωμένων ατόμων Υδρογόνου που παράγονται με τη μέθοδο της φωτοδιάσπασης μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την ανάπτυξη ενός ευαίσθητου μαγνητομέτρου με χρονική απόκριση της τάξης των nanosecond. Η μεταφορά πληθυσμών ανάμεσα στις καταστάσεις υπέρλεπτης υφής του Υδρογόνου προσφέρουν μια γρήγορη διαμόρφωση σε μια από τις πιο καλά γνωστές φυσικές ποσότητες, τη συχνότητα της υπέρλεπτης υφής του Υδρογόνου στα 1.420405 GHz. Αυτή η διαμόρφωση, σε συνδυασμό με τον υψηλό αριθμό πολωμένων ατόμων που παράγονται από τη φωτοδιάσπαση, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση χαμηλών χρονοεξαρτώμενων μαγνητικών πεδίων, τα οποία αίρουν τον εκφυλισμό της διεγερμένης κατάστασης της υπέρλεπτης υφής του υδρογόνου με F = 1. Σε αυτή τη μελέτη παρουσιάζονται, ως απόδειξη της αρχής λειτουργίας του οργάνου, μετρήσεις χαμηλών μαγνητικών πεδίων της τάξης του μT σε ένα δευτερόλεπτο, μέσω μετρήσεων της συχνότητας της χρονοεξαρτώμενης μαγνήτισης που προκαλείται από τη μεταφορά πληθυσμών ανάμεσα στις καταστάσεις υπέρλεπτης υφής του Υδρογόνου. Συμπληρωματικά, παρουσιάζεται μια λεπτομερής πρόταση για τη χρήση αυτού του οργάνου για την ανίχνευση χρονοεξαρτώμενων μαγνητικών πεδίων με χρονική ανάλυση της τάξης του νς, με ευαισθησία της τάξης του pT ανά παλμό λέιζερ.