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Optische Magnetometrie

Arbeitsgruppe 8.21

Optisch gepumpte Magnetometer

In einem optischen Magnetometer präzedieren atomare Spins kollektiv im Ensemble, sodass ihre optischen Eigenschaften magnetfeldabhängig sind, wenn die Frequenz des Laserlichtes resonant mit dem atomaren Übergang ist. Die Präparation der Atome mit Laserlicht wird als optisches Pumpen bezeichnet, deshalb nennt man diese Quantensensoren auch optisch gepumpte Magnetometer (OPM).

Optisch gepumpte Magnetometer (OPMs)

In optisch gepumpten Magnetometern werden gasförmige Atome als empfindliche Magnetfeldsonden eingesetzt. Dazu wird der quantenmechanische Zustand der Atome mit Laserlicht präpariert und die Wirkung eines Magnetfelds auf diesen mit Laserlicht ausgelesen. Bei der Präparation werden die Spins, der in einer Dampfzelle befindlichen Atome zu einer kohärenten Rotation angeregt, sie werden dabei in einen bestimmten Spinzustand „gepumpt“. In einem Magnetfeld präzedieren die Spins dann kollektiv mit der Lamorfrequenz, die proportional zur magnetischen Flussdichte ist. Diese Wirkung auf den quantenmechanischen Zustand der Atome wird dann mittels laserspektroskopischer Methoden ausgelesen.

OPMs haben sich in den letzten beiden Dekaden rasant entwickelt und erreichen bereits ähnliche Empfindlichkeiten wie die im Biomagnetismus etablierten supraleitenden Quanteninterferometer (SQUIDs). Als sensitives Medium in einem OPM dienen gasförmige Atome; z.B. verdampfte Alkalimetalle, wie Kalium, Rubidium oder Cäsium. Deshalb sind keine kryogenen Temperaturen erforderlich und OPMs können letztendlich klein und flexibel sein.

Ziel der Arbeitsgruppe ist es OPMs weiterzuentwickeln um neue Anwendungsgebiete im Bereich der klinischen Neurowissenschaften, in der Medizinphysik (z.B. Detektion und Abbildung magnetischer Nanopartikel) und in der Grundlagenphysik zu erschließen.

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