用于精密测量的抗弛豫镀膜原子气室的研究

High quality antirelaxation coatings dramatically increase the atomic spin coherence life time in alkali metal vapor cells, thus lower the fundamental quantum noise and enhance the precision or sensitivity of measurements on atomic ensembles. They are widely used in various fields of precision measurement such as atomic magnetometry, gyroscope, vapor cell clock, spin squeezing and so on. However, their properties were still not fully understood, resulting in a lack of reproducibility of their performance. This study will comparatively investigate several major types of coatings. The longitudinal, transverse and hyperfine-polarization relaxation processes, as well as the influence of wall temperature and atomic species on these processes will be studied, in order to understand the underlying wall-relaxation mechanisms. The effect of some phenomena unique to coated cells, such as Light induce atomic adsorptions, on the measurement precision will also be checked. Based on such more complete knowledge, we will improve the coating’s antirelaxation quality and reproducibility by comparing the result of variations in the major steps and eliminating uncertainties during the cell making procedure. Our research will greatly improve the service of antirelaxation wall-coated vapor cells on the advances of precision measurement.

抗弛豫镀膜可以极大延长碱金属原子气室内原子自旋态的寿命，降低基本量子噪声，提高原子系综的测量精度和灵敏度，被应用在磁力仪，陀螺仪，原子钟和自旋压缩等精密测量物理的各个领域。然而目前人们对镀膜并没有完全理解，镀膜抗弛豫本领的重复性差。本课题组在过去对OTS和石蜡镀膜的研究中已经积累了丰富的经验并取得一些有特色的成果。本研究将对几种主要镀膜展开综合比较，对壁碰撞引起的纵向，横向和超精细弛豫过程展开系统的研究，测量表面温度，原子种类等因素对镀膜壁弛豫的影响，从而阐明碱金属原子在镀膜表面的自旋弛豫机制。此外我们还将调查如光致脱附等镀膜气室特有的现象对精密测量的影响。在此基础上，我们将通过对镀膜制作过程中几个关键步骤做变化比较，排除制作过程中的不确定因素，从而改进现有镀膜技术，研制出抗弛豫本领更强，更稳定的优质镀膜。我们的研究将使得抗弛豫镀膜气室对精密测量物理的发展发挥更大的推动作用。

抗弛豫镀膜可以极大延长碱金属原子气室内原子自旋态的寿命，降低基本量子噪声，提高原子系综的测量精度和灵敏度，被应用在磁力仪，陀螺仪，原子钟和自旋压缩等精密测量物理的各个领域。然而目前人们对镀膜并没有完全理解，镀膜抗弛豫本领的重复性差，不同镀膜抗弛豫本领差异的原因也不清楚。本研究对几种主要镀膜展开综合比较，对壁弛豫机制，自旋噪声等，和精密测量密切相关的一些问题展开了深入的研究。..我们首先发现三氯十八硅烷（OTS）和石蜡镀膜表面自旋弛豫机制的主要差异来自于镀膜的覆盖率而非镀膜材料本身。为了提高OTS镀膜的覆盖率，我们通过增加OTS溶液水分的方法，取得多层的OTS镀膜。实验发现这种镀膜方法具有较高抗弛豫效果稳定性，然而获得的多层膜不能在高于120度的铷蒸气环境中长期工作。我们有试图通过增加镀膜的致密性来提高镀膜覆盖率并保持其耐高温性能。目前已经获得可以在130摄氏度下长期工作，并且无弛豫碰撞次数大于800次的OTS镀膜。.我们还比较了多种不同链长的长链烷烃，发现四十四碳烷烃的无弛豫碰撞次数最高可达到15000次以上。我们还研制了一种新的聚乙烯镀膜材料，其无弛豫碰撞次数在常温下接近20000次，随着温度的升高而降低，一直到120摄氏度还能具备接近OTS镀膜的抗弛豫本领。我们还细致研究了抗弛豫镀膜气室中非极化铷原子的自旋噪声谱，明确了自旋噪声功率和探测光光斑面积的反比关系，并给出了一个精确描述自旋噪声谱的理论模型。我们的这一系列研究成果将促进抗弛豫镀膜气室在精密测量物理中的应用。