スピン交換

量子力学において、スピン交換は、交換相互作用によって媒介される 2 つの粒子間の相互作用プロセスです。^{[1]システムの}全角運動量は保存されますが、システムの他の側面が変化する可能性があります。基底状態の2 つのスピン偏極原子がスピン交換衝突を経験すると、原子の全スピンは保存されますが、個々のスピンの方向が変化する可能性があります。たとえば、原子とが反対に偏極している場合、スピン交換衝突によりスピンが反転します。^[2]${\displaystyle A}$${\displaystyle B}$

${\displaystyle A(\uparrow )+B(\downarrow )\rightarrow A(\downarrow )+B(\uparrow )}$

アルカリ金属原子の典型的な蒸気では、スピン交換衝突が原子間の相互作用の主なタイプです。衝突は非常に速く起こるため、電子スピンの状態が変化するだけで、核スピンには大きな影響はありません。したがって、アルカリ金属原子間のスピン交換衝突は、衝突するペアの全角運動量を維持しながら、原子の超微細状態を変化させることができます。その結果、スピン交換衝突は、磁場の存在下で歳差運動する分極原子の集団にデコヒーレンスを引き起こします。

アルカリ金属原子の蒸気のスピン交換衝突の間隔は

${\displaystyle T_{se}=(\sigma _{se}n{\bar {v}}_{rel})^{-1}}$

ここで、K、Rb、Csなどのアルカリ金属のスピン交換断面積は^[3]

${\displaystyle \sigma _{se}=2\times 10^{-14}\ \mathrm {cm} ^{2}}$

ここで は蒸気密度、 はマクスウェル・ボルツマン分布によって与えられる平均相対速度です。 ${\displaystyle n}$${\displaystyle {\bar {v}}_{rel}}$

${\displaystyle {\bar {v}}_{rel}={\sqrt {\frac {16RT}{\pi m}}}}$

ここで、は理想気体定数、は温度、 は原子のモル質量です。 ${\displaystyle R}$${\displaystyle T}$${\displaystyle m}$