論文の概要: Impact of Heavy Noble Gases on the Magnetic Resonance Linewidth of Alkali-Metal Atoms: A Theoretical Study

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2506.19249v1
• Date: Tue, 24 Jun 2025 02:13:21 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-06-25 19:48:23.441612
• Title: Impact of Heavy Noble Gases on the Magnetic Resonance Linewidth of Alkali-Metal Atoms: A Theoretical Study
• Title（参考訳）: アルカリ金属原子の磁気共鳴線幅に及ぼす重い希ガスの影響:理論的研究
• Authors: Feng Tang, Kezheng Yan, Nan Zhao,
• Abstract要約: 本研究では, キセノン誘起二体・三体相互作用が, 現実的なNMRG条件下でアルカリ金属原子の直線幅をどう変化させるかを検討した。 Xe原子は主に二元系スピンジャイロスコープ衝突とファンデルワールス(vdW)を介するF減衰過程によって線幅を広げる。 窒素緩衝ガスは二元衝突によるアルカリ-金属スピン緩和に直接寄与し、分子寿命を変化させることで間接的にvdW衝突速度を調節する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 12.633024930180166
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Nuclear magnetic resonance gyroscopes (NMRGs) employ noble-gas nuclear spins as inertial sensors and alkali-metal atoms as in-situ magnetometers. Heavy noble gases, particularly xenon, are widely used due to their large nuclear spin and strong spin-exchange coupling with alkali-metal atoms. However, their presence introduces additional collisional mechanisms that affect the alkali-metal magnetic resonance linewidth, thereby influencing magnetometer sensitivity and overall gyro performance. In this work, we develop a theoretical framework based on the density matrix formalism and master equation approach to quantitatively study how xenon-induced two-body and three-body interactions modify the linewidth of alkali-metal atoms under realistic NMRG conditions. Our analysis reveals that Xe atoms primarily broaden the linewidth via binary spindestruction collisions and van der Waals (vdW)-mediated F-damping processes, while the effect of Xe nuclear polarization is negligible at the ~1% level. We further demonstrate that nitrogen buffer gas plays a dual role: it directly contributes to alkali-metal spin relaxation through binary collisions and indirectly modulates vdW collision rates by altering molecular lifetimes. The interplay between these processes leads to an optimal nitrogen density that minimizes the linewidth. Additionally, we identify a temperature threshold above which light-narrowing emerges, with this threshold increasing alongside Xe density. These findings provide theoretical insight for optimizing spin relaxation control in alkali-metal magnetometers and improving NMRG performance.
• Abstract（参考訳）: 核磁気共鳴ジャイロスコープ(NMRG)は、高貴ガス核スピンを慣性センサーとして、アルカリ金属原子をその場磁力計として使用する。 重い貴ガス、特にキセノンは、大きな核スピンとアルカリ金属原子との強いスピン交換結合のために広く用いられる。 しかし、それらの存在はアルカリ金属磁気共鳴線幅に影響を与える追加の衝突機構を導入し、磁気センサの感度と全体的なジャイロ性能に影響を与える。 本研究では, 密度行列形式とマスター方程式に基づく理論的枠組みを開発し, 現実的なNMRG条件下でのキセノン誘起二体・三体相互作用がアルカリ金属原子の直線幅をどのように変化させるかを定量的に研究する。 分析の結果、Xe原子は二元スピン破壊衝突やファンデルワールス(vdW)を媒介とするF減衰過程を通じて線幅を広くし、Xe原子の偏極効果は1%程度で無視できることがわかった。 さらに, 窒素緩衝ガスは二元衝突によるアルカリ-金属スピン緩和に直接寄与し, 分子寿命を変化させることで, vdW衝突速度を間接的に調節する。 これらのプロセス間の相互作用は、線幅を最小化する最適な窒素密度をもたらす。 また,この温度閾値はXe密度とともに増大する。 これらの知見は、アルカリ金属磁気センサにおけるスピン緩和制御の最適化とNMRG性能の向上に寄与する。

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