利用选择性共振射频场抑制技术探测双同位素Rb–Xe蒸汽池中的频率偏移

《Journal of Magnetic Resonance》：Probing frequency shifts in a dual-isotope Rb–Xe vapor cell using selective resonant RF-field suppression

【字体：大中小】 时间：2026年08月13日 来源：Journal of Magnetic Resonance 2.1

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　　摘要我们研究了含有129Xe和131Xe的Rb–Xe蒸汽细胞中的自旋相互作用机制。通过Rb与Xe之间的费米接触相互作用，Xe的极化与Rb的极化之间存在定量关联。通过使用强共振射频场选择性地抑制Xe的极化，我们发现射频场本身并不会导致Xe共振频率出现可测量的变化。此外，对纵向弛豫时

摘要

我们研究了含有¹²⁹Xe和¹³¹Xe的Rb–Xe蒸汽细胞中的自旋相互作用机制。通过Rb与Xe之间的费米接触相互作用，Xe的极化与Rb的极化之间存在定量关联。通过使用强共振射频场选择性地抑制Xe的极化，我们发现射频场本身并不会导致Xe共振频率出现可测量的变化。此外，对纵向弛豫时间的测量表明，在当前实验条件下，两种Xe同位素之间的交叉弛豫可以忽略不计。在毫赫兹级别观察到的剩余频率变化，与极化Xe核的宏观磁化所产生的平均场相互作用一致。这些结果有助于深入理解多同位素Xe蒸汽细胞中的自旋相互作用，对于高精度核磁共振测量以及基于核磁共振的陀螺仪而言具有重要意义。

引言

稀有气体原子（如Xe和He）的核自旋可以通过施加外部磁场和射频场来极化并加以操控，从而产生核磁共振现象。由于它们的自旋相干时间较长，稀有气体的核自旋在精密传感领域引起了广泛关注[1]、[2]、[3]。尤其是，它们的共振频率被用于灵敏检测磁场[4]、[5]以及角速度检测[6]、[7]、[8]，这也是核磁共振陀螺仪的基础。

在实际的基于核磁共振的装置中，这些物理过程发生在碱金属-稀有气体蒸汽细胞中[9]、[10]、[11]。这类蒸汽细胞通常包含一种或两种稀有气体以及碱金属蒸汽。这些细胞利用碱金属原子将自旋传递给稀有气体原子，而后者则通过圆偏振光进行极化。碱金属原子与稀有气体原子之间的自旋交换相互作用在20世纪80年代就建立了模型[12]，随后也得到了实验验证[13]，这种相互作用与所测得的进动频率直接相关。后续研究系统地测量了碱金属与稀有气体之间的自旋交换速率[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。最近的研究进一步量化了二元碰撞和范德华分子相互作用对自旋交换速率的贡献[17]，并校准了每次碰撞中的极化传递量[18]。在本研究中，蒸汽细胞中含有⁸⁷Rb、¹²⁹Xe和¹³¹Xe。除非另有说明，Rb指的是⁸⁷Rb。Rb与单一同位素Xe气体之间的自旋交换相互作用已经得到了广泛研究。

然而，在含有多种Xe同位素的蒸汽细胞中，比如¹²⁹Xe和¹³¹Xe，这两种同位素都会与同一组碱金属发生相互作用，

这就引发了这样一个问题：在相同的自旋交换条件下，它们的极化动态是否仍然独立？极化的稀有气体核还可以通过几何依赖的偶极场和几何独立的标量接触相互作用来改变局部磁场环境。Terrano等人独立控制了³He–¹²⁹Xe共磁计中的横向和纵向磁化分量，发现观察到的频率变化主要是由与纵向磁化相关的物种依赖性相互作用造成的，而非横向磁化效应[19]。Limes等人随后改变了无柄的³He-¹²⁹Xe细胞的纵横比，从而将几何依赖的偶极贡献与几何独立的标量碰撞位移分开，得出了一个定量的标量增强因子[20]。这些研究表明，分析稀有气体的频率变化时必须考虑磁化方向、细胞几何结构以及标量碰撞相互作用。相比之下，本研究探讨的是与共享的Rb群体耦合的¹²⁹Xe-¹³¹Xe混合物。通过改变Rb的极化状态，并使用共振射频场选择性地抑制某种Xe同位素的极化，我们研究了一种同位素的极化是否会影响另一种同位素，从而区分双同位素Rb–Xe细胞中的极化耦合与自身及跨物种频率变化。”

基于以上考虑，我们研究了含有¹²⁹Xe和¹³¹Xe的Rb–Xe蒸汽细胞中的自旋相互作用机制。表1总结了该细胞的组成、几何结构以及操作条件。我们在不同的光泵浦功率下研究了Rb–Xe的自旋交换极化过程。具体来说，我们利用Rb与Xe之间的费米接触相互作用，确定了不同光泵浦功率下的Rb极化状态，并分析了其与¹²⁹Xe和¹³¹Xe的核自旋极化之间的关联。此外，通过使用共振射频场选择性地抑制特定氙同位素的极化，我们排除了氙-氙相互作用对核磁共振频率的影响。通过分析在不同光泵浦功率下Xe极化状态和共振频率变化与Rb极化之间的关系，我们阐明了多同位素Xe系统中自旋交换、交叉弛豫以及平均场相互作用的作用。

本文的结构如下：第2节阐述测量原理和实验方法，第3节展示并分析实验结果，第4节总结研究结论。

章节摘录

Rb–Xe费米接触相互作用

费米接触相互作用是一种短程磁超精细耦合，源于电子自旋密度与原子核自旋波函数在原子核处的重叠。这种相互作用源自电子自旋磁矩与核自旋磁矩之间的直接耦合，它使得在Rb–Xe蒸汽混合物中能够实现自旋极化从Rb向Xe的传递。

在这一过程中，极化的Rb电子自旋通过费米接触与Xe核自旋发生相互作用

Rb共磁计

在外部磁场中，Rb价电子的超精细能级会出现塞曼分裂[12]，相邻能级之间的能量差与磁场强度成正比。当施加一个垂直于外部磁场的射频磁场时，如果射频频率与塞曼分裂频率相匹配，就会引发电子顺磁共振现象。总体而言，这表现为集体磁矩围绕外部磁场发生进动。

Rb极化与泵浦功率的关系

为确定Rb原子与Xe原子之间极化传递的关系，首先需要测量Rb的极化程度。系统通过功率相同但圆偏振方向相反的泵浦光进行极化，这两种偏振状态分别用

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Rb–Xe费米接触相互作用

Rb共磁计

Rb极化与泵浦功率的关系

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