Ultrahigh-density spin-polarized hydrogen isotopes from the photodissociation of hydrogen halides: production, detection and applications in magnetometry

Abstract

Recently, our group has produced spin-polarized hydrogen (SPH) atoms at densities of at least 10^(19) cm^(−3), from the photodissociation of hydrogen halide molecules with circularly-polarized UV light, and measured via magnetization quantum beats with a pickup coil. These densities are about 7 orders of magnitude higher than those produced using conventional methods, and they open up new fields of application, such as ultrafast magnetometry, the production of polarized MeV and GeV particle beams, such as electron beams with intensities about 104 higher than current sources, and the study of polarized nuclear fusion, for which the reaction cross sections of D-T andD-3He reactions are expected to increase by 50% for fully polarized nuclear spins. One of the important questions on the production of SPH via photodissociation that remained open was the depolarization rate of the Hydrogen isotope fragments produced in the "high density" regime, i.e. at the limit where all Hydrogen halide molecules are photodissociated, and only SPH and halide radicals exist at the photodissociated volume. At this limit, spin-exchange collisions between SPH and Cl are expected to quickly depolarize SPH. However, work by Sofikitis et al demonstrated depolarization lifetimes of order ∼ 10 ns for SPH and SPD produced from the photodissociation of HBr and DI, respectively, much longer than expected if the hydrogen-halide spin exchange cross-section was comparable to the hydrogen-alkali value. Studies in HCl, in densities of an order of magnitude higher, were conducted, and the results are demonstrated in this study. The H-Cl spin-exchange cross-section is estimated to beσSEH−Cl = 7×10^(−17) cm^2, which is the first measurement of this quantity. The high density of SPH produced with this method can also be utilized for the development of a sensitive, nanosecond-resolved magnetometer. The population transfer between the hyperfine states offers a fast, reliable modulation at one of the most well-known physical quantities in the world, the hyperfine frequency of Hydrogenf=1.420405 GHz. This modulation can be utilized to detect weak, time-dependent magnetic fields which induce a splitting in the hyperfine states of Hydrogen. In this study, a proof-of-principle of this novel instrument is demonstrated, with the detection of μT magnetic fields in a second, via direct measurements of the hyperfine beating frequencies. Furthermore, we demonstrate a detailed proposal for achieving nanosecond-resolved measurements, with sensitivites of order pT/pulse.

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.