Faculté des sciences

Laser-pumped cesium magnetometers for the PSI-nEDM experiment

Gröger, Stephan ; Weis, Antoine (Dir.) ; Dousse, Jean-Claude (Codir.) ; Daum, Manfred (Codir.)

Thèse de doctorat : Université de Fribourg, 2005 ; Nr. 1487.

This thesis work describes the development of a high resolution magnetic field sensor for a fundamental research project of an international collaboration with participation of the Fribourg Atomic Physics Group. The goal of the collaboration is an experiment searching for an electric dipole moment of the neutron (nEDM), d, which will be performed at Paul Scherrer Institute (PSI). The possible... Plus

Ajouter à la liste personnelle
    Zusammenfassung
    Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Magnetfeldsensors mit hoher Auflösung für ein Grundlagenforschungsprojekt im Rahmen einer internationalen Kollaboration unter Beteilung der Freiburger Atomphysikgruppe. Das Ziel des Projekts ist die Durchführung eines Experiments am Paul Scherrer Institut (PSI) zur Bestimmung des elektrischen Dipolmoments des Neutrons (nEDM: neutron electric dipole moment), d. Die mögliche Existenz und vor allem die Grösse eines solchen Dipolmoments ist von grossem wissenschaftlichen Interesse hinsichtlich eines besseren Verständnisses der grundlegenden Wechselwirkungen zwischen den Grundbausteinen der Materie. Allein die Senkung der gegenwärtigen nEDM-Messungenauigkeit um eine Grössenordnung in den Bereich von σ(d) ~ 10-27e • cm erlaubt mittels des Vergleichs mit theoretischen Voraussagen wertvolle Aussagen über "neue Physik", die über das Standardmodell hinausgeht. Das Erreichen einer solchen Auflösung ist das erklärte Ziel der PSI-nEDMExperiments. Das Experiment muss daher unter ultra-stabilen Bedingungen durchgeführt werden, wobei ein Punkt von ausserordentlicher Bedeutung die Kontrolle eines 1μT starken Magnetfeldes (etwa 1/50 des Erdmagnetfeldes) auf einem Niveau von besser als 100 fT darstellt. Das entspricht einer relativen Feld(in)stabilität von weniger als 10-7. Die Anforderungen, die an das Magnetfeld gestellt werden, lassen sich direkt auf die verwendeten Magnetfeldsensoren übertragen. Um eine Auflösung im sub-pT-Bereich zu erhalten, wurde daher ein speziell auf dieses Experiment abgestimmtes Sensorsystem entwickelt, das auf der optisch detektierten Magnetresonanz (ODMR) in Cäsiumdampf beruht. Die paramagnetischen Cäsiumatome verfügen aufgrund des ungepaarten Valenzelektrons über ein assoziiertes magnetisches Moment in der Grössenordung von einem Bohrmagneton, dessen Wechselwirkung mit einem Magnetfeld die Präzession der Atome in diesem Feld bewirkt. Dabei ist die gemessene Präzessionsfrequenz proportional zur Magnetfeldstärke. Gleichzeitig bestimmt auch der Spin, d.h. der Gesamtdrehimpuls, der Atome die optischen Eigenschaften des Cäsiumdampfes. Somit ist ein Nachweis der Spinpräzession von Cäsiumatomen über ihre Wechselwirkungseigenschaften mit Licht möglich. Obwohl die grundlegenden Prinzipien dieser Technik seit etwa 50 Jahren bekannt sind und Sensoren für spezielle Anwendungen, z.B. in der Geologie und Archäologie, kommerziell erhältlich sind, ergeben sich je nach Anwendungsanforderungen und Spezifikationen speziell angepasste Realisierungen. So wurde im Rahmen dieser Arbeit anstelle der üblicherweise verwendeten Gasentladungslampen als Lichtquelle ein frequenzstabilisiertes Diodenlasersystem verwendet. Wie gezeigt werden konnte, kann allein dadurch eine Verbesserung der intrinsischen Magnetfeldauflösung der Sensoren um das nahezu Dreifache erreicht werden. Mit optimierten Parametern wurde eine Magnetometerauflösung von bis zu 14 fT√pHz ermittelt. Das aktive Volumen des Sensors, d.h. die Grösse der Glaszelle, die die Cäsiumatome enthält, war dabei etwa 180 cm3. Die Magnetfeldmessungen können mit einer maximalen Messbandbreite von etwa 1 kHz durchgeführt werden. Nach der erfolgreichen Charakterisierung und Optimierung des Sensors unter gut kontrollierten Bedingungen in Freiburg wurde ein Multisensor-System aufgebaut, um an "realen" Schauplätzen für ein nEDM-Experiment am PSI und am Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble Magnetfeldfluktuationen zu messen. Ein wesentlicher Bestandteil dieses Systems war die Entwicklung eines hochauflösenden Mehrkanal-Frequenzzählers auf Basis einer kommerziell erhältlichen Soundkarte, da die für uns verfügbaren kommerziellen Frequenzzählersysteme eine nur ungenügende Auflösung boten. Parallel zur Entwicklungsarbeit für das PSI-nEDM-Experiment wurden alternative optische Magnetometertechniken untersucht. Am Ende der vorliegenden Arbeit wird eine neuartige Methode mit linear statt zirkular polarisiertem Licht vorgestellt, die sehr vielversprechend für zukünftige Anwendungen erscheint.
    Summary
    This thesis work describes the development of a high resolution magnetic field sensor for a fundamental research project of an international collaboration with participation of the Fribourg Atomic Physics Group. The goal of the collaboration is an experiment searching for an electric dipole moment of the neutron (nEDM), d, which will be performed at Paul Scherrer Institute (PSI). The possible existence and mainly the size of the dipole moment is of great scientific interest concerning a better understanding of the fundamental interactions of elementary particles. If one is able to lower the sensitivity for a nEDM to the level of σ(d) ~ 10-27e • cm, the experimental result will give valuable information regarding "new physics" beyond the Standard Model. Such an improvement in resolution is the purpose of the PSI-nEDM experiment, which has to be performed under ultra-stable conditions. Hereby, a crucial requirement is the control of the fluctuations of a 1μT magnetic field (about 1/50 of the earth magnetic field) on a level of better than 100 fT which corresponds to a relative (in)stability of less than 10-7. The magnetic field stability requirement can directly be understood as a specification for the magnetic field sensors. In order to reach a sub-pT resolution we have developed a specific sensor system using the technique of optically-detected magnetic resonance (ODMR) in cesium vapor. Due to their unpaired valence electron the Cs atom is paramagnetic and has a magnetic moment on the order of one Bohr magneton. This magnetic moment interacts with an external magnetic field resulting in a Larmor precession around the field direction at a frequency proportional to the magnetic field. On the other hand, the orientation of the spin, i.e., of the total angular momentum of the atoms, determines the optical properties of the Cs vapor. The detection of the Cs spin precession is thus possible via their interaction with light. The principles of that technique have been well known for about 50 years and magnetometers are commercially available for particular applications ranging from geology to archeology. Nevertheless, depending on the requirements and specific applications very specialized realizations are needed. In the present thesis work discharge lamps, which usually serve as light sources, were replaced by a frequencystabilized diode-laser system. It could be shown that this leads to an intrinsic sensor resolution by up to a factor of three better than the one obtained with lamp-pumped devices. The active volume of the sensor, given by the size of the cell containing the Cs vapor, was about 180 cm3. After optimizing all parameters a resolution of 14 fT√pHz was obtained, and the magnetic field measurements can be performed with a bandwidth of about 1 kHz. After characterizing and optimizing the sensor in a very controlled environment in Fribourg a multisensor system was built in order to measure magnetic field fluctuations at real experimental sites at PSI and at Institute Laue-Langevin (ILL) in Grenoble. A major step for the realization of such a measurement system was the development of a multi-channel frequency counter based on a commercial sound card, which fulfills – in contrast to commercial frequency counters at hand – the frequency resolution requirement. In parallel to the research and development work for the PSI-nEDM experiment, alternative optical magnetic-field-detection methods were investigated. This work concludes with a newly developed technique using linearly rather than circularly polarized light, a magnetometry technique which is only feasible with laser excitation, and which appears to be very promising for future applications.