New methods for the production and detection of polarized atoms: hydrogen and chlorine

Abstract

Control over spin and, more generally, over quantum angular momentum has led to many technological advances, such as NMR and medical imaging, and has allowed the study of many spin-dependent phenomena, in the fields of nuclear, atomic, molecular and surface scattering. Almost in all cases, the objective is to create simple distributions of angular momentum since it is in those cases where angular momentum properties can become macroscopically apparent and of technologic and scientific importance. There exist several techniques for the polarization of atomic and molecular systems, as well as for its detection. This work originates in the study of a recently developed technique for the production of spin polarized halogen atoms as well as hydrogen atoms from molecular photodissociation of hydrogen halides. The first part is dedicated in the development of a new technique for the detection of spin polarization in hydrogen atoms using Laser Induced Fluorescence (LIF). As the technique of molecular photodissociation suffers from a depolarization phenomenon that minimizes the amount of the final, time averaged atomic polarization achieved, the effort to minimize this effect results in a new technique for the production of polarized atoms via the hyperfine interaction. This new technique can be considered complementary to the one of molecular photodissociation or completely independent.

Η δυνατότητα χειρισμού του σπιν και γενικότερα της κβαντικής στροφορμής, έχει οδηγήσει από τη μια μεριά σε τεχνολογικές εφαρμογές όπως η φασματοσκοπία NMR και η ιατρική απεικόνιση, και από την άλλη, έχει επιτρέψει την μελέτη πολλών φαινομένων σχετικά με τον σπιν, σε τομείς όπως η πυρηνική, ατομική, μοριακή φυσική, ή η φυσική μελέτης επιφανειών. Στις περισσότερες περιπτώσεις, η δυνατότητα χειρισμού της κβαντικής στροφορμής σημαίνει την δημιουργία απλών (πολωμένων) κατανομών, μιας και είναι σε αυτές, που οι ιδιότητες της κβαντικής στροφορμής γίνονται μακροσκοπικά εμφανείς. Υπάρχουν αρκετές τεχνικές για τη υπερπαραγωγή και την ανίχνευση πολωμένων ατομικών και μοριακών δειγμάτων. Το σημείο εκκίνησης για την παρούσα εργασία είναι η μελέτη μιας πρόσφατα ανεπτυγμένης τεχνικής, για την παραγωγή πολωμένων ατόμων αλογόνων και υδρογόνου από την φωτοδιάσπαση υδραλογόνων. Το πρώτο μέρος είναι αφιερωμένο στην ανάπτυξη μιας νέας τεχνικής για την ανίχνευση της πόλωσης του σπιν σε άτομα υδρογόνου με τη χρήση φασματοσκοπίας φθορισμού λέιζερ (Laser Induced Fluorescence LIF). Αλλά, μιας και η τεχνική παραγωγής πολωμένων ατόμων μέσω φωτοδιάσπασης πάσχει από την παρουσία ενός αποπωλοτικού φαινομένου που μειώνει την τελικώς επιτευχθείσα πόλωση, η προσπάθεια ελαχιστοποίησης αυτού του φαινομένου κατέληξε στην ανάπτυξη μιας πρωτότυπης τεχνικής για την πόλωση του πυρηνικού σπιν των ατόμων μέσω της υπέρλεπτης αλληλεπίδρασης. Αυτή η νέα τεχνική μπορεί να ιδωθεί σαν συμπληρωματική της τεχνικής για την παραγωγή πολωμένων ατόμων μέσω φωτοδιάσπασης ή σαν μια νέα ανεξάρτητη τεχνική για την παραγωγή πολωμένων ατόμων.