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スピン交換緩和フリー（SERF）磁力計は、 2000年代初頭にプリンストン大学で開発された磁力計の一種です。SERF磁力計は、蒸気中のアルカリ金属原子と磁場との相互作用をレーザー光で検出することにより、磁場を測定します。

この技術の名前は、通常原子スピンの向きを乱すメカニズムであるスピン交換緩和が、これらの磁力計では回避されるという事実に由来しています。これは、高密度（10 ¹⁴ cm ⁻³）のカリウム原子と非常に弱い磁場を使用することによって実現されます。このような条件下では、原子は磁気歳差周波数に比べて速くスピンを交換するため、平均スピンは磁場と相互作用し、デコヒーレンスによって破壊されません。^{[ 1 ]}

SERF磁力計は、ほぼゼロの磁場中で歳差運動する高密度のアルカリ金属原子蒸気を監視することで、非常に高い磁場感度を実現します。 ^{[ 2 ]} SERF磁力計の感度は、アルカリ金属原子間のスピン交換衝突によって引き起こされる原子スピンデコヒーレンスの主な原因を排除することで、従来の原子磁力計よりも向上しています。SERF磁力計は最も感度の高い磁場センサーの1つであり、場合によっては同等サイズのSQUID検出器の性能を上回ります。 ^{[ 3 ]} カリウム蒸気を含む1 cm ³の小さなガラスセルは、1 fT/ √Hzの感度を報告しており、理論的にはより大きな体積でさらに感度を高めることができます。^{[ 4 ]}これらは、磁場の3つの成分すべてを同時に測定できるベクトル磁力計です。

スピン交換衝突は、衝突する原子対の全角運動量を保存しますが、原子の超微細構造状態を乱す可能性があります。異なる超微細構造状態にある原子はコヒーレントに歳差運動しないため、原子のコヒーレンス寿命が制限されます。しかし、スピン交換衝突が原子の歳差運動周波数よりもはるかに速く発生する場合、スピン交換衝突によるデコヒーレンスはほぼ排除できます。この高速スピン交換の領域では、アンサンブル内のすべての原子が超微細構造状態を急速に変化させ、各超微細構造状態に同じ時間を費やすため、スピンアンサンブルの歳差運動は遅くなりますが、コヒーレンスは維持されます。このいわゆるSERF領域は、十分に高いアルカリ金属密度（より高い温度）と十分に低い磁場で動作させることで実現できます。^{[ 5 ]}

スピン交換緩和率${\displaystyle R_{se}}$スピン交換が遅い低分極原子の場合、次のように表すことができます。^{[ 5 ]}

${\displaystyle R_{se}={\frac {1}{2\pi T_{se}}}\left({\frac {2I(2I-1)}{3(2I+1)^{2}}}\right)}$

どこ${\displaystyle T_{se}}$はスピン交換衝突の間隔であり、${\displaystyle I}$核スピンは、${\displaystyle \nu }$は磁気共鳴周波数です。$\displaystyle \gamma _{e}}$は電子の磁気回転比です。

高速スピン交換と小さな磁場の極限では、スピン交換緩和率は十分に小さな磁場に対してゼロになります。^{[ 2 ]}

${\displaystyle R_{se}={\frac {\gamma _{e}^{2}B^{2}T_{se}}{2\pi }}{\frac {1}{2}}\left(1-{\frac {(2I+1)^{2}}{Q^{2}}}\right)}$

どこ${\displaystyle Q}$は、電子スピンと核スピン間の角運動量の共有を考慮するための「減速」定数です。^{[ 6 ]}

${\displaystyle Q(I=3/2)=4\left(2-{\frac {4}{3+P^{2}}}\right)^{-1}}$

${\displaystyle Q(I=5/2)=6\left(3-{\frac {48(1+P^{2})}{19+26P^{2}+3P^{4}}}\right)^{-1}}$

${\displaystyle Q(I=7/2)=8\left({\frac {4(1+7P^{2}+7P^{4}+P^{6})}{11+35P^{2}+17P^{4}+P^{6}}}\right)^{-1}}$

どこ${\displaystyle P}$は原子の平均分極です。高速スピン交換を受ける原子は、完全に分極していない場合、異なる周波数（または逆方向）で歳差運動する異なる超微細構造状態に一定時間滞在するため、歳差運動が遅くなります。

感度${\displaystyle \delta B}$原子磁力計の限界は原子の数によって決まる${\displaystyle N}$そしてそれらのスピンコヒーレンス寿命${\displaystyle T_{2}}$によると

${\displaystyle \delta B={\frac {1}{\gamma }}{\sqrt {\frac {2R_{tot}Q}{F_{z}N}}}$

どこ${\displaystyle \gamma }$は原子の磁気回転比であり、${\displaystyle F_{z}}$は全原子スピンの平均偏極である。${\displaystyle F=I+S}$[ ^{7 ]​}

スピン交換緩和がない場合、他のさまざまな緩和メカニズムが原子スピンのデコヒーレンスに寄与します。^{[ 2 ]}

${\displaystyle R_{tot}=R_{D}+R_{sd,self}+R_{sd,\mathrm {彼} }+R_{sd,\mathrm {N_{2}} }}$

どこ${\displaystyle R_{D}}$は細胞壁との衝突による緩和率であり、${\displaystyle R_{sd,X}}$これらは、アルカリ金属原子間の衝突、およびアルカリ原子と存在する可能性のある他のガスとの衝突におけるスピン破壊率である。

最適な構成では、約3気圧のヘリウム緩衝ガスを備えた1cm³の蒸気セル内に10¹⁴cm⁻³のカリウム原子密度で、緩和率10 aT Hz⁻¹ / ^{² （10⁻¹⁷} T Hz⁻¹ /²）の感度^を達成^できます^。 ${\displaystyle R_{tot}}$≈ 1  Hz。^{[ 2 ]}

十分な密度のアルカリ金属蒸気は、蒸気セル内の固体アルカリ金属を加熱するだけで得られる。典型的なSERF原子磁力計は、低ノイズダイオードレーザーを利用してスピン歳差運動を偏光および監視することができる。${\displaystyle D_{1}}$スペクトル共鳴線によって原子が分極する。直交するプローブ光は、直線偏光の光学的回転を利用して歳差運動を検出する。典型的なSERF磁力計では、歳差運動の周波数が緩和速度に比べて遅いため、スピンはごくわずかな角度だけ傾く。

SERF磁力計は、さまざまな用途においてSQUID磁力計と競合しています。SERF磁力計には、次のような利点があります。

• 単位体積あたりの感度が同等以上
• 極低温処理不要
• 全光学的測定限界によりイメージングが可能になり、干渉が排除される。

潜在的なデメリット：

• ゼロ磁場付近でのみ動作可能
• センサー蒸気セルは加熱する必要がある

高感度SERF磁力計を利用した応用例としては、以下のようなものが考えられます。

• 高性能脳磁図イメージング^{[ 8 ]}
• 試料の磁化測定、特に岩石試料

SERF磁力計は、2000年代初頭にプリンストン大学のマイケル・V・ロマリスによって開発されました。 ^{[ 2 ]}スピン交換緩和抑制を支配する基礎的な物理は、数十年前にウィリアム・ハッパーによって開発されました^{[ 5 ] [ 9 ]}が、当時は磁場測定への応用は検討されていませんでした。「SERF」という名前は、海洋メタファーにおけるSQUID検出器との関連性から部分的に着想を得ています。

• プリンストン大学のロマリス研究室が開発したSERF磁力計の写真。
• スピン交換緩和フリー（SERF）磁力計