DE102018000118B4 - Quantum chaotic magnetic field sensor and method for measuring a magnetic field - Google Patents

Quantum chaotic magnetic field sensor and method for measuring a magnetic field Download PDF

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Abstract

Magnetfeldsensor (100) zur Messung eines Magnetfelds (B), umfassend:eine Messzelle (1), welche einen Atomdampf (2) umfasst, wobei der Atomdampf (2) ein Spin-System von Spins individueller Atome aufweist;eine optische Manipulations-Einrichtung, welche ausgelegt ist, durch Emission von Licht das Spin-System in einem Anfangszustand (AZ) zu polarisieren und während eines Messvorgangs des Magnetfelds (B) durch Emission von mindestens einem optischen Kickpuls (KP) einen Zustand des Spin-Systems zu ändern,wobei der mindestens eine optische Kickpuls (KP) eine chaotische Dynamik des Spin-Systems erzeugt; undeine Sensoreinrichtung, umfassend:- eine optische Sonde (4), welche ausgelegt ist, einen optischen Teststrahl (TS) durch den Atomdampf (2) zu emittieren, und- einen optischen Detektor (3), welcher ausgelegt ist, eine Transmission des optischen Teststrahls (TS) durch den Atomdampf (2) zu messen.Magnetic field sensor (100) for measuring a magnetic field (B), comprising: a measuring cell (1) which comprises an atomic vapor (2), the atomic vapor (2) having a spin system of spins of individual atoms; an optical manipulation device, which is designed to polarize the spin system in an initial state (AZ) by emitting light and to change a state of the spin system during a measurement process of the magnetic field (B) by emitting at least one optical kick pulse (KP), the at least one optical kick pulse (KP) generates a chaotic dynamic of the spin system; anda sensor device comprising: - an optical probe (4) which is designed to emit an optical test beam (TS) through the atomic vapor (2), and - an optical detector (3) which is designed to transmit the optical test beam (TS) to be measured by the atomic vapor (2).

Description

Die Erfindung betrifft einen Magnetfeldsensor und ein Verfahren zur Messung eines Magnetfeldes.The invention relates to a magnetic field sensor and a method for measuring a magnetic field.

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Messtechnik, insbesondere auf dem Gebiet der quantenmechanischen Messtechnik und der Messtechnik für die Messung magnetischer Felder.The invention is in the field of measurement technology, in particular in the field of quantum mechanical measurement technology and measurement technology for measuring magnetic fields.

Einige der genausten Magnetometer basieren auf der Technik optischer Atomdampf-Magnetometer. Diese Magnetometer umfassen typischerweise einen Dampf von Alkali-Atomen (Rubidium Rb, Cäsium Cs oder Kalium K) in einem Behältnis, zum Beispiel einem Glaskolben. Alkali-Atome haben einen von Null verschiedenen Kernspin I und ein einzelnes Elektron in ihrer Valenzschale. Ihr Grundzustand spaltet sich insbesondere in Hyperfeinstruktur-Niveaus auf, die sich durch einen Gesamtdrehimpuls (Spin) von j = I ± 1/2 auszeichnen. Mit Hilfe eines angelegten Laserstrahls können die Atome in einen gewünschten Zustand gebracht werden. Insbesondere bedeutet dies, dass durch optisches Pumpen der Atomdampf in dem Behältnis polarisiert wird und dadurch ein orientiertes magnetisches Moment aufweist. Ein anliegendes bzw. ein zu messendes Magnetfeld bewirkt eine Präzession des magnetischen Moments des Atomdampfes. Nach einer gewissen Messzeit, in der sich das magnetische Moment im Magnetfeld B dreht bzw. präzediert, wird die Orientierung des magnetischen Moments ausgelesen. Dazu misst man die Transmission (Intensität oder Polarisation) eines Teststrahls durch den Atomdampf. Hierdurch können Informationen über die aktuelle Ausrichtung des Magnetfeldes gewonnen werden, wodurch eine Messung des Magnetfeldes möglich ist. Die Genauigkeit der Messung ist, neben dem Schrotrauschen durch das optische Auslesen, durch quantenmechanische Effekte typischerweise wie folgt beschränkt (Standardabweichung) [siehe Budker, Dmitry, and Michael Romalis, „Optical magnetometry“, Nature Physics 3.4 (2007): pages 227-234 ]: δ B = 1 g μ B T M e s s N M

Figure DE102018000118B4_0001
Some of the most accurate magnetometers are based on the technology of optical atomic vapor magnetometers. These magnetometers typically comprise a vapor of alkali atoms (rubidium Rb, cesium Cs or potassium K) in a container, for example a glass flask. Alkali atoms have a nuclear spin I other than zero and a single electron in their valence shell. Their ground state is divided into hyperfine structure levels, which are characterized by a total angular momentum (spin) of j = I ± 1/2. With the help of an applied laser beam, the atoms can be brought into a desired state. In particular, this means that the atomic vapor in the container is polarized by optical pumping and thus has an oriented magnetic moment. An applied magnetic field or a magnetic field to be measured causes a precession of the magnetic moment of the atomic vapor. After a certain measuring time in which the magnetic moment rotates or precesses in the magnetic field B, the orientation of the magnetic moment is read out. To do this, one measures the transmission (intensity or polarization) of a test beam through the atomic vapor. In this way, information about the current alignment of the magnetic field can be obtained, whereby a measurement of the magnetic field is possible. In addition to the shot noise due to the optical readout, the accuracy of the measurement is typically limited by quantum mechanical effects as follows (standard deviation) [see Budker, Dmitry, and Michael Romalis, "Optical magnetometry", Nature Physics 3.4 (2007): pages 227-234 ]: δ B. = 1 G μ B. T M. e s s N M.
Figure DE102018000118B4_0001

Hierbei gilt:

µB
Bohrsche Magneton
g
Lande-Faktor
Planck'sches Wirkungsquantum
TMess
Messzeit
N
Anzahl der Atome des Atomdampfes
M
Anzahl der Wiederholungen der Messung
Somit liegt es nahe, durch eine Erhöhung der Messzeit TMess und/oder durch eine Erhöhung der Anzahl von Atomen N die Präzision der Messung zu verbessern bzw. die Standardabweichung δB zu verringern. Wie lange man messen kann bzw. wie groß TMess gewählt werden kann, ist jedoch durch die Kohärenzzeit beschränkt, die im Wesentlichen durch die Spin-Relaxationseffekte gegeben ist. Diese resultieren aus Stößen der Atome untereinander und Stößen der Atome mit der Wand. Auch die verwendbare Anzahl der Atome N ist beschränkt. Insbesondere führt eine Erhöhung der Anzahl der Atome N zu einer erhöhten Anzahl von Atomkollisionen, wodurch sich die Kohärenzzeit verringert.The following applies here:
µ B
Bohr's Magneton
G
Landing factor
Planck's quantum of action
T meas
Measurement time
N
Number of atoms in atomic vapor
M.
Number of repetitions of the measurement
It therefore makes sense to improve the precision of the measurement or to reduce the standard deviation δB by increasing the measurement time T Mess and / or by increasing the number of atoms N. How long one can measure or how large T Mess can be selected, however, is limited by the coherence time, which is essentially given by the spin relaxation effects. These result from collisions between the atoms and the collisions between the atoms and the wall. The number of atoms N that can be used is also limited. In particular, an increase in the number of atoms N leads to an increased number of atomic collisions, as a result of which the coherence time is reduced.

Für die Messung sehr kleiner Magnetfelder (~10-8T ; zum Vergleich: Das Erdmagnetfeld ist um mehr als drei Größenordnungen größer) ist es außerdem möglich in einem Regime zu messen, in dem die negativen Effekte der Spin-Relaxation unterdrückt sind. Für solche „spin-exchange-relaxation-free“ (SERF) Magnetometer kann eine Genauigkeit von δB = 10-15T/Hz1/2 erreicht werden.For the measurement of very small magnetic fields (~ 10 -8 T; for comparison: the earth's magnetic field is more than three orders of magnitude larger) it is also possible to measure in a regime in which the negative effects of spin relaxation are suppressed. For such “spin-exchange-relaxation-free” (SERF) magnetometers, an accuracy of δB = 10 -15 T / Hz 1/2 can be achieved.

US 8 421 455 B1 beschreibt ein Magnetometer und Begleit-Magnetometrieverfahren, umfassend Aussenden von Licht von einer Lichtquelle, Pulsieren des Lichts der Lichtquelle mittels eines Pulsgenerators, Leiten des gepulsten Lichts zu einer Atomkammer, Verwenden eines Feldsensors in der Atomkammer, und Empfangen eines Signals vom Feldsensor mittels eines Signalverarbeitungsmoduls. US 8 421 455 B1 describes a magnetometer and accompanying magnetometry method comprising emitting light from a light source, pulsing the light from the light source using a pulse generator, directing the pulsed light to an atomic chamber, using a field sensor in the atomic chamber, and receiving a signal from the field sensor using a signal processing module.

US 2008 / 0 106 261 A1 beschreibt ein hochfrequenzabstimmbares Atommagnetometer zur Detektion der Kernquadrupolresonanz (NQR) aus Festkörpern bei Raumtemperatur, einschließlich des Nachweises stickstoffhaltiger Sprengstoffe, die außerhalb einer Sensoreinheit angeordnet sind. Ein Kalium-Hochfrequenz-Magnetometer mit einer Empfindlichkeit von 0,24 fT / Hz1/2 ist vorgesehen, das bei 423 kHz arbeitet. Magnetfelder niedriger Intensität werden unter Verwendung eines Alkalimetalldampfes gemessen, indem die magnetische Polarisation des Dampfes erhöht wird, um seine Empfindlichkeit zu erhöhen, dann die magnetische Polarisation des Dampfes untersucht wird, um eine Ausgabe zu erhalten, und Eigenschaften des Magnetfelds niedriger Intensität aus der Ausgabe bestimmt werden.US 2008/0 106 261 A1 describes a high-frequency tunable atomic magnetometer for the detection of nuclear quadrupole resonance (NQR) from solids at room temperature, including the detection of nitrogen-containing explosives which are arranged outside a sensor unit. A high frequency potassium magnetometer with a sensitivity of 0.24 fT / Hz 1/2 is provided, operating at 423 kHz. Low intensity magnetic fields are measured using an alkali metal vapor by increasing the magnetic polarization of the steam to increase its sensitivity, then examining the magnetic polarization of the steam to obtain an output, and determining properties of the low intensity magnetic field from the output become.

US 2005 / 0 206 377 A1 beschreibt ein hochempfindliches Atommagnetometer und Verfahren zum Messen von Magnetfeldern niedriger Intensität bereit, die sich auf die Verwendung eines Alkalimetalldampfes und eines Puffergases beziehen; Erhöhen der magnetischen Polarisation des Alkalimetalldampfes, wodurch die Empfindlichkeit des Alkalimetalldampfes gegenüber einem Magnetfeld geringer Intensität erhöht wird; Untersuchen der magnetischen Polarisation des Alkalimetalldampfes, wobei das Untersuchungsmittel eine Ausgabe von dem Alkalimetalldampf liefert, wobei die Ausgabe Eigenschaften enthält, die sich auf das Magnetfeld geringer Intensität beziehen; und Messmittel, die die Ausgabe empfangen, die Eigenschaften des Magnetfelds niedriger Intensität bestimmen und eine Darstellung des Magnetfelds niedriger Intensität bereitstellen.US 2005/0 206 377 A1 describes a highly sensitive atomic magnetometer and method for measuring magnetic fields of low intensity, which relate to the use of an alkali metal vapor and a buffer gas; Increasing the magnetic polarization of the alkali metal vapor, thereby increasing the sensitivity of the alkali metal vapor to a low intensity magnetic field; Investigate the magnetic polarization of the alkali metal vapor, wherein the assay means provides an output from the alkali metal vapor, the output including properties related to the low intensity magnetic field; and measuring means receiving the output, determining the properties of the low intensity magnetic field, and providing a representation of the low intensity magnetic field.

Chaudhury, S., et al.: „Quantum signatures of chaos in a kicked top“ (Nature, 2009, 461. Jg., Nr. 7265, S. 768-771 ) beschreibt eine experimentelle Verwirklichung eines allgemeinen Paradigmas für Quantenchaos - der Quanten-Kicked-Top - und die Beobachtung direkt im Quanten-Phasenraum von Dynamiken, welche ein chaotisches klassisches Gegenstück haben. Das System beruht auf den kombinierten elektronischen und nuklearen Spins eines einzelnen Atoms und ist daher tief im Quantenregime. Eine gute Übereinstimmung zwischen der Quantendynamik und klassischen Phasenraumstrukturen wird vorgefunden. Da Chaos inhärent ein dynamisches Phänomen ist, wird dynamischen Signaturen wie Sensitivität gegenüber Pertubation oder Erzeugung von Entropie und Verschränkung, für welche nur indirekte Beweise vorhanden sind, besondere Bedeutung beigemessen. Unterschiede in der Sensitivität gegenüber Pertubation in chaotischen verglichen mit üblichen, nichtchaotischen Regimen wird festgestellt und experimentelle Beweise für dynamische Verschränkung als eine Signatur von Chaos werden präsentiert. Chaudhury, S., et al .: "Quantum signatures of chaos in a kicked top" (Nature, 2009, 461st vol., No. 7265, pp. 768-771 ) describes an experimental realization of a general paradigm for quantum chaos - the quantum kicked top - and the observation directly in the quantum phase space of dynamics, which have a chaotic classical counterpart. The system relies on the combined electronic and nuclear spins of a single atom and is therefore deep in the quantum regime. A good match between quantum dynamics and classical phase space structures is found. Since chaos is inherently a dynamic phenomenon, special importance is attached to dynamic signatures such as sensitivity to pertubation or generation of entropy and entanglement, for which only indirect evidence is available. Differences in sensitivity to pertubation in chaotic versus common, non-chaotic regimes is noted, and experimental evidence for dynamic entanglement as a signature of chaos is presented.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Magnetfeldsensor und ein Verfahren zur Messung eines Magnetfeldes mit verbesserter Messgenauigkeit bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch einen Magnetfeldsensor gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren gemäß Anspruch 17 gelöst.It is therefore the object of the present invention to provide a magnetic field sensor and a method for measuring a magnetic field with improved measuring accuracy. This object is achieved by a magnetic field sensor according to claim 1 and a method according to claim 17.

Ein Aspekt betrifft einen Magnetfeldsensor zur Messung eines Magnetfelds. Der Magnetfeldsensor umfasst eine Messzelle, welche einen Atomdampf umfasst, wobei der Atomdampf ein Spin-System von Spins individueller Atome aufweist, und eine optische Manipulations-Einrichtung, welche ausgelegt ist, durch Emission von Licht das Spin-System in einem Anfangszustand zu polarisieren und während eines Messvorgangs des Magnetfelds durch Emission von mindestens einem optischen Kickpuls einen Zustand des Spin-Systems zu ändern, wobei der mindestens eine optische Kickpuls eine chaotische Dynamik des Spin-Systems erzeugt. Der Magnetfeldsensor umfasst ferner eine Sensoreinrichtung, welche eine optische Sonde, welche ausgelegt ist, einen optischen Teststrahl durch den Atomdampf zu emittieren, und einen optischen Detektor, welcher ausgelegt ist, eine Transmission des optischen Teststrahls durch den Atomdampf zu messen, umfasst.One aspect relates to a magnetic field sensor for measuring a magnetic field. The magnetic field sensor comprises a measuring cell which comprises an atomic vapor, wherein the atomic vapor has a spin system of spins of individual atoms, and an optical manipulation device which is designed to polarize the spin system in an initial state by emitting light and during a measuring process of the magnetic field to change a state of the spin system by emission of at least one optical kick pulse, the at least one optical kick pulse generating a chaotic dynamic of the spin system. The magnetic field sensor further comprises a sensor device, which comprises an optical probe, which is designed to emit an optical test beam through the atomic vapor, and an optical detector, which is designed to measure a transmission of the optical test beam through the atomic vapor.

Die Messzelle kann hierbei ausgebildet sein, so dass ein mit dem Magnetfeldsensor zu messendes Magnetfeld im Wesentlichen von der Messzelle unverändert die Messzelle durchdringen kann. Die Messzelle kann ferner derart ausgebildet sein, so dass das von der optischen Manipulations-Einrichtung emittierte Licht und der von der optischen Manipulations-Einrichtung emittierte optische Kickpuls die Messzelle im Wesentlichen verlustfrei durchdringen können bzw. im Wesentlichen nicht von der Messzelle absorbiert werden. Hierzu kann die Messzelle als Glaszelle ausgebildet sein. Die Messzelle ist ferner vorzugsweise versiegelt ausgebildet bzw. derart ausgebildet, so dass Teile des durch die Messzelle umfassten Atomdampfes nicht in eine Umgebung außerhalb der Messzelle entweichen können.The measuring cell can be designed so that a magnetic field to be measured with the magnetic field sensor can penetrate the measuring cell essentially unchanged from the measuring cell. The measuring cell can also be designed in such a way that the light emitted by the optical manipulation device and the optical kick pulse emitted by the optical manipulation device can penetrate the measuring cell essentially without loss or are essentially not absorbed by the measuring cell. For this purpose, the measuring cell can be designed as a glass cell. The measuring cell is also preferably embodied in a sealed manner or embodied in such a way that parts of the atomic vapor contained by the measuring cell cannot escape into an environment outside the measuring cell.

Die Messzelle ist hierbei vorzugsweise nicht auf eine bestimmte Größe bzw. ein bestimmtes Messzellenvolumen beschränkt. Umfasst der Magnetfeldsensors einen Atomdampf mit vorbestimmter Dichte, kann über die Größe der Messzelle bzw. deren Volumen die Anzahl der Atome N eingestellt werden, wodurch die Messgenauigkeit des Magnetfeldsensors, beispielsweise gemäß Gleichung 1, beeinflusst werden kann. Andererseits ist eine möglichst kleine Messzelle vorteilhaft, da hierdurch eine räumliche Auflösung einer Magnetfeldmessung bzw. des Magnetfeldsensors beeinflusst ist. Somit kann die Größe bzw. das Volumen der Messzelle für eine bestimmte Anwendung des Magnetfeldsensors optimiert werden.The measuring cell is preferably not limited to a specific size or a specific measuring cell volume. If the magnetic field sensor comprises an atomic vapor with a predetermined density, the number of atoms N can be set via the size of the measuring cell or its volume, whereby the measuring accuracy of the magnetic field sensor can be influenced, for example according to equation 1. On the other hand, a measuring cell that is as small as possible is advantageous, since this influences the spatial resolution of a magnetic field measurement or of the magnetic field sensor. The size or the volume of the measuring cell can thus be optimized for a specific application of the magnetic field sensor.

Vorzugsweise kann die Messzelle mit einem variablen Messzellenvolumen ausgebildet sein. Hierbei kann das Volumen vor und/oder während einer Magnetfeldmessung, vorzugsweise in einem vorbestimmten Volumen-Intervall, eingestellt werden. Hierbei kann die Messzelle beispielsweise eine bewegbare Wand, beispielsweise eine Kolbenwand aufweisen, welche relativ zu einem Punkt der Messzelle bewegt werden kann, um ein Volumen der Messzelle zu variieren. Insbesondere kann hierdurch das Volumen der Messzelle vergrößert oder verkleinert werden. Vorzugweise kann hierdurch eine Form des Volumens der Messzelle verändert werden. Vorzugsweise kann das Volumen, dessen Größe und/oder dessen Form, dynamisch durch einen Benutzer des Magnetfeldsensors und/oder durch ein externes Kontrollsystem, beispielsweise basierend auf festgestellten Umwelt- oder Messparametern, eingestellt werden.The measuring cell can preferably be designed with a variable measuring cell volume. Here, the volume can be set before and / or during a magnetic field measurement, preferably in a predetermined volume interval. Here, the measuring cell can, for example, have a movable wall, for example a piston wall, which can be moved relative to a point on the measuring cell in order to vary a volume of the measuring cell. In particular, this allows the volume of the measuring cell to be increased or decreased. In this way, a shape of the volume of the measuring cell can preferably be changed. The volume, its size and / or its shape can preferably be set dynamically by a user of the magnetic field sensor and / or by an external control system, for example based on determined environmental or measurement parameters.

Der Magnetfeldsensor kann ferner vorzugsweise ein Atomdampf-Reservoir umfassen, welches mit der Messzelle verbunden ist, wobei das Atomdampf-Reservoir ausgelegt ist, den Atomdampf zumindest teilweise aufzunehmen. Das Atomdampf-Reservoir ist hierbei vorzugsweise derart mit der Messzelle verbunden, beispielsweise fluidisch verbunden, dass ein Austausch von Atomdampf zwischen der Messzelle und dem Atomdampf-Reservoir ermöglicht ist. Der Magnetfeldsensor kann ferner eine Atomdampf-Austauscheinrichtung, beispielsweise eine Atomdampf-Pumpeinrichtung, umfassen, welche ausgelegt ist, zumindest einen Teil des Atomdampfes von dem Atomdampf-Reservoir in die Messzelle zu bewegen bzw. zu pumpen und/oder zumindest einen Teil des Atomdampfes von der Messzelle in das Atomdampf-Reservoir zu bewegen bzw. zu pumpen. Hierdurch kann insbesondere die Anzahl von Atomen N des Atomdampfes in der Messzelle variiert insbesondere dynamisch variiert werden. Die Anzahl von Atomen N kann hierbei vorzugsweise durch die Atomdampf-Austauscheinrichtung, beispielsweise die Atomdampf- Pumpeinrichtung, dynamisch durch einen Benutzer des Magnetfeldsensors und/oder durch ein externes Kontrollsystem, beispielsweise basierend auf festgestellten Umwelt- oder Messparametern, eingestellt werden.The magnetic field sensor can furthermore preferably comprise an atomic vapor reservoir which is connected to the measuring cell, the atomic vapor reservoir being designed to at least partially absorb the atomic vapor. The atomic vapor reservoir is preferably connected to the measuring cell in this way, for example fluidically connected that an exchange of atomic vapor between the measuring cell and the atomic vapor reservoir is possible. The magnetic field sensor can furthermore comprise an atomic vapor exchange device, for example an atomic vapor pumping device, which is designed to move or pump at least part of the atomic vapor from the atomic vapor reservoir into the measuring cell and / or at least part of the atomic vapor from the To move or pump the measuring cell into the atomic vapor reservoir. As a result, in particular the number of atoms N of the atomic vapor in the measuring cell can be varied, in particular dynamically varied. The number of atoms N can preferably be set dynamically by the atomic vapor exchange device, for example the atomic vapor pumping device, by a user of the magnetic field sensor and / or by an external control system, for example based on established environmental or measurement parameters.

Die Messzelle kann ferner mit einer Heizeinrichtung ausgebildet sein, wobei die Heizeinrichtung ausgelegt ist, den Atomdampf auf einer vorbestimmten Temperatur zu halten. Hierzu kann die Heizeinrichtung mindestens ein Heizelement, beispielsweise Heizspulen und/oder Peltier-Elemente und/oder elektromagnetische Heizelemente, umfassen. Hierzu kann die Heizeinrichtung ferner ein mindestens ein Thermometer-Element und mindestens ein Temperaturregelelement umfassen. Das mindestens eine Thermometer-Element ist hierbei ausgelegt, eine Temperatur des Atomdampfes oder eines Objektes, welches auf gekannte Weise thermisch mit dem Atomdampf gekoppelt ist und aus dessen Temperatur die Temperatur des Atomdampfes ermittelt werden kann, zu messen und somit die Temperatur des Atomdampfes zu ermitteln. Die ermittelte Temperatur des Atomdampfes kann an das mindestens eine Temperaturregelelement übermittelt werden, welches ausgelegt ist, basierend auf der ermittelten Temperatur des Atomdampfes das mindestens eine Heizelement derart anzusteuern, dass die Temperatur des Atomdampfes einem vorgegebenen Wert entspricht.The measuring cell can also be designed with a heating device, the heating device being designed to keep the atomic vapor at a predetermined temperature. For this purpose, the heating device can comprise at least one heating element, for example heating coils and / or Peltier elements and / or electromagnetic heating elements. For this purpose, the heating device can furthermore comprise at least one thermometer element and at least one temperature control element. The at least one thermometer element is designed to measure a temperature of the atomic vapor or of an object which is thermally coupled to the atomic vapor in a known manner and from whose temperature the temperature of the atomic vapor can be determined and thus to determine the temperature of the atomic vapor . The determined temperature of the atomic vapor can be transmitted to the at least one temperature control element, which is designed to control the at least one heating element based on the determined temperature of the atomic vapor such that the temperature of the atomic vapor corresponds to a predetermined value.

Der Atomdampf ist in der Messzelle angeordnet bzw. durch diese umgeben. Der Atomdampf ist insbesondere als Messsonde des Magnetfeldsensors, welche empfindlich gegenüber Magnetfeldern ist, ausgebildet, wobei insbesondere Spins von Atomen des Atomdampfes die Messsonde bilden. Empfindlich gegenüber Magnetfeldern ist in diesem Sinne derart zu verstehen, dass eine kleine Variation des Magnetfeldes zu einer, insbesondere messbaren, Änderung einer Dynamik der Spins im Magnetfeld und somit zu einem veränderten Endzustand der Messsonde führt. Eine Empfindlichkeit der Messsonde ist abhängig von der Änderung des Endzustands, wobei je größer die Änderung des Endzustands ist, desto empfindlicher ist die Messsonde bzw. der Magnetfeldsensor. Insbesondere kann die maximal erreichbare Empfindlichkeit durch einen Überlapp des durch die Variation des Magnetfeldes gestörten quantenmechanischen Endzustands und des unversehrten bzw. ungestörten Anfangszustands quantifiziert werden. Insbesondere steht dieser Überlapp über die Quanten-Fisher-Information in direkter Beziehung zu der erreichbaren Messgenauigkeit.The atomic vapor is arranged in the measuring cell or surrounded by it. The atomic vapor is designed in particular as a measuring probe of the magnetic field sensor, which is sensitive to magnetic fields, with spins of atoms in the atomic vapor in particular forming the measuring probe. In this sense, sensitive to magnetic fields is to be understood as meaning that a small variation in the magnetic field leads to an, in particular measurable, change in the dynamics of the spins in the magnetic field and thus to a changed final state of the measuring probe. A sensitivity of the measuring probe depends on the change in the final state, the greater the change in the final state, the more sensitive the measuring probe or the magnetic field sensor. In particular, the maximum achievable sensitivity can be quantified by an overlap between the quantum mechanical end state disturbed by the variation of the magnetic field and the intact or undisturbed initial state. In particular, this overlap is directly related to the achievable measurement accuracy via the quantum Fisher information.

Ein Spin-System von Spins individueller Atome ist hierbei als eine Gruppe aus zwei oder mehr Spins zu verstehen. Insbesondere umfasst das Spin-System die Kernspins des Atomdampfes, wobei der Atomdampf die Messsonde des Magnetfeldsensors bildet.A spin system of spins of individual atoms is to be understood here as a group of two or more spins. In particular, the spin system comprises the nuclear spins of the atomic vapor, the atomic vapor forming the measuring probe of the magnetic field sensor.

Die optische Manipulations-Einrichtung ist ausgelegt, durch Emission von Licht das Spin-System in einem Anfangszustand zu polarisieren. Hierbei ist die optische Manipulations-Einrichtung ausgelegt, mindestens ein optisches Polarisationssignal zu emittieren, wobei das mindestens eine optische Polarisationssignal den Atomdampf durchläuft und die Spins des Spin-Systems polarisiert. Der Anfangszustand des Spin-Systems ist hierbei der Zustand des Spin-Systems, nachdem die Spins des Spin-Systems durch die optische Manipulations-Einrichtung polarisiert wurden. Das mindestens eine Polarisationssignal hat bevorzugt eine Frequenz, so dass das mindestens eine Polarisationssignal resonant zu einem ersten elektronischen Übergang der Atome des Atomdampfes ist. Ein elektronischer Übergang ist im Rahmen dieser Beschreibung als eine Änderung eines Energieniveaus eines Elektrons in einem Atom des Atomdampfes zu verstehen.The optical manipulation device is designed to polarize the spin system in an initial state by emitting light. Here, the optical manipulation device is designed to emit at least one optical polarization signal, the at least one optical polarization signal passing through the atomic vapor and polarizing the spins of the spin system. The initial state of the spin system is the state of the spin system after the spins of the spin system have been polarized by the optical manipulation device. The at least one polarization signal preferably has a frequency so that the at least one polarization signal is resonant to a first electronic transition of the atoms of the atomic vapor. In the context of this description, an electronic transition is to be understood as a change in the energy level of an electron in an atom of atomic vapor.

Hierbei ist eine vollständige Polarisation des Spin-Systems bevorzugt, jedoch nicht zwingend erforderlich. Eine unvollständige Polarisation führt hierbei zu einer effektiven Reduktion in der zum Messsignal beitragenden Spins bzw. Atome, so dass die Anzahl der Atome des Atomdampfes N durch Np zu ersetzen ist, wobei p der Gesamtpolarisationsgrad des Spin-Systems ist. Hierbei kann pi der individuelle Polarisationsgrad eines Spins des Spin-Systems sein, wodurch sich der Gesamtpolarisationsgrad ergibt durch: p = 1 N i = 1 N p i

Figure DE102018000118B4_0002
Vorzugsweise weist der Gesamtpolarisationsgrad p des Spin-Systems einen Wert von mindestens 10%, bevorzugt mindestens 50%, weiter bevorzugt mindestens 80%, am meisten bevorzugt mindestens 90% auf.Complete polarization of the spin system is preferred, but not absolutely necessary. Incomplete polarization leads to an effective reduction in the spins or atoms contributing to the measurement signal, so that the number of atoms in the atomic vapor N has to be replaced by Np, where p is the total degree of polarization of the spin system. Here p i can be the individual degree of polarization of a spin of the spin system, whereby the total degree of polarization results from: p = 1 N i = 1 N p i
Figure DE102018000118B4_0002
The total degree of polarization p of the spin system preferably has a value of at least 10%, preferably at least 50%, more preferably at least 80%, most preferably at least 90%.

Die optische Manipulations-Einrichtung ist ferner ausgelegt, mindestens einen optischen Kickpuls zu emittieren. Der optische Kickpuls ist ausgelegt, durch Elektron-Photon-Wechselwirkung mit dem Spin-System des Atomdampfes zu wechselwirken und somit einen Zustand des Spin-Systems, insbesondere den Anfangszustand des Spin-Systems zu verändern. Bevor die optische Manipulations-Einrichtung den mindestens einen optischen Kickpuls emittiert, kann das Spin-System des Atomdampfes als quantenmechanischer Kreisel beschrieben werden. Dieser ist durch einen Drehimpuls bzw. Spin gegeben, dessen Betrag erhalten bleibt, wobei der quantenmechanische Kreisel insbesondere einen präzedierenden Atom-Spin in einem Magnetfeld beschreiben kann. Durch den mindestens einen optischen Kickpuls wird insbesondere diese reguläre Dynamik der präzedierenden Atom-Spins in einem Magnetfeld gestört. Insbesondere wird bei dem mindestens einen optischen Kickpuls ein Drehimpulszustand bzw. Spin-Zustand je nach Position des Spins in einem Zustandsraum des Spins unterschiedlich stark gedreht. Dies führt zu einer Verzerrung des Zustandes, wodurch die reguläre Dynamik im klassischen Grenzfall chaotisch wird. Ein klassisch chaotisches System ist in dem Rahmen dieser Beschreibung als ein System zu verstehen, dessen zeitliche Entwicklung auf zumindest einem begrenzten Zeitintervall nicht beliebig präzise vorhersagbar ist. Insbesondere werden auch Dynamiken, welche einen gemischt chaotisch-regulären Phasenraum aufweisen, im Rahmen dieser Beschreibung als chaotisch bezeichnet. Somit ist die optische Manipulations-Einrichtung ausgelegt, eine chaotische Dynamik des Spin-Systems zu erzeugen bzw. herzustellen. Der mindestens eine optische Kickpuls weist ferner eine Frequenz derart auf, dass der mindestens eine Kickpuls relativ zu einem elektronischen Übergang der Atome des Atomdampfes verstimmt ist.The optical manipulation device is also designed to emit at least one optical kick pulse. The optical kick pulse is designed to interact with the spin system of the atomic vapor through electron-photon interaction and thus to change a state of the spin system, in particular the initial state of the spin system. Before the optical manipulation device emits the at least one optical kick pulse, the spin system of the atomic vapor can be described as a quantum mechanical top. This is given by an angular momentum or spin, the amount of which is retained, whereby the quantum mechanical gyroscope can in particular describe a precessing atomic spin in a magnetic field. The at least one optical kick pulse in particular disrupts this regular dynamic of the precessing atomic spins in a magnetic field. In particular, in the case of the at least one optical kick pulse, an angular momentum state or spin state is rotated to different degrees depending on the position of the spin in a state space of the spin. This leads to a distortion of the state, which makes the regular dynamics chaotic in the classic limit case. In the context of this description, a classically chaotic system is to be understood as a system whose development over time cannot be predicted with arbitrary precision over at least a limited time interval. In particular, dynamics which have a mixed chaotic-regular phase space are also referred to as chaotic in the context of this description. The optical manipulation device is thus designed to generate or establish a chaotic dynamics of the spin system. The at least one optical kick pulse also has a frequency such that the at least one kick pulse is detuned relative to an electronic transition of the atoms of the atomic vapor.

Hierbei wird die chaotische Dynamik des Spin-Systems insbesondere basierend auf dem AC-Stark-Effekt hergestellt. Hierbei kann insbesondere ein Lichtpuls, beispielsweise ein Polarisationssignal und/oder ein Kickpuls und/oder ein Teststrahl, das Spin-System bzw. den Atomdampf einmalig durchqueren. Der Magnetfeldsensor kann ferner eine Lichtleitungseinrichtung aufweisen, welche mindestens einen Lichtpuls derart leitet, dass der mindestens eine Lichtpuls mindestens zweimal das das Spin-System bzw. den Atomdampf durchquert. Insbesondere kann durch eine mindestens zweimalige Wechselwirkung des Teststrahls mit dem Atomdampf basierend auf dem Faraday Effekt bzw. basierend auf paramagnetischer Faraday-Rotation der Polarisation eines linear polarisierten Teststrahls eine chaotische Dynamik generiert werden. Hierfür kann die Lichtleitungseinrichtung beispielsweise zumindest teilweise Spiegel und/oder Glasfasern und/oder Wellenleiter aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die optische Manipulations-Einrichtung ausgelegt sein, gequetschtes Licht zu emittieren. Gequetschtes Licht ist in diesem Sinne als elektromagnetische Strahlung zu verstehen, deren quantenmechanische Unschärfe asymmetrisch geändert wurde. Hierbei kann entweder die Unschärfe der Amplitude der elektromagnetischen Strahlung auf Kosten der Unschärfe der Phase der elektromagnetischen Strahlung oder die Unschärfe der Phase der elektromagnetischen Strahlung auf Kosten der Unschärfe der Amplitude der elektromagnetischen Strahlung geändert werden. Der gequetschte Zustand des gequetschten Lichts kann hierbei durch Wechselwirkung mit dem Spin-System zumindest teilweise auf das Spin-System übertragen werden, wodurch eine chaotische Dynamik des Spin-Systems hergestellt werden kann. Insbesondere kann die optische Manipulations-Einrichtung alternativ oder zusätzlich derart ausgelegt sein, dass diese auf Basis einer effektiven nicht-linearen Wechselwirkung zwischen einzelnen Spins eine chaotische Dynamik des Spin-Systems herstellt.Here, the chaotic dynamics of the spin system is created based on the AC-Stark effect. In particular, a light pulse, for example a polarization signal and / or a kick pulse and / or a test beam, can traverse the spin system or the atomic vapor once. The magnetic field sensor can furthermore have a light guide device which guides at least one light pulse in such a way that the at least one light pulse traverses the spin system or the atomic vapor at least twice. In particular, a chaotic dynamic can be generated through an interaction of the test beam with the atomic vapor based on the Faraday effect or based on paramagnetic Faraday rotation of the polarization of a linearly polarized test beam at least twice. For this purpose, the light-guiding device can for example at least partially have mirrors and / or glass fibers and / or waveguides. Alternatively or additionally, the optical manipulation device can be designed to emit squeezed light. In this sense, squeezed light is to be understood as electromagnetic radiation whose quantum mechanical fuzziness has been asymmetrically changed. Either the uncertainty of the amplitude of the electromagnetic radiation at the expense of the uncertainty of the phase of the electromagnetic radiation or the uncertainty of the phase of the electromagnetic radiation at the expense of the uncertainty of the amplitude of the electromagnetic radiation can be changed. The squeezed state of the squeezed light can be at least partially transferred to the spin system through interaction with the spin system, whereby a chaotic dynamics of the spin system can be produced. In particular, the optical manipulation device can alternatively or additionally be designed in such a way that it produces a chaotic dynamic of the spin system on the basis of an effective non-linear interaction between individual spins.

Die optische Manipulations-Einrichtung kann ferner ausgelegt sein, so dass eine Emissionsrichtung des mindestens einen Polarisationssignals im Wesentlichen orthogonal zu einer Emissionsrichtung des mindestens einen optischen Kickpulses ist. Insbesondere kann die optische Manipulations-Einrichtung ferner ausgelegt sein, so dass mindestens ein Punkt in der Messzelle durch das mindestens eine optische Polarisationssignal und durch den mindestens einen optischen Kickpuls durchlaufen bzw. erreicht wird.The optical manipulation device can also be designed so that an emission direction of the at least one polarization signal is essentially orthogonal to an emission direction of the at least one optical kick pulse. In particular, the optical manipulation device can also be designed so that at least one point in the measuring cell is passed through or reached by the at least one optical polarization signal and the at least one optical kick pulse.

Insbesondere kann ein Polarisationsvolumen definiert werden, wobei das Polarisationsvolumen alle Spins des Spin-Systems bzw. Atome des Atomdampfes umfasst, welche durch das mindestens eine Polarisationssignal polarisiert werden. Hierbei kann das Polarisationsvolumen insbesondere alle Spins des Spin-Systems bzw. Atome des Atomdampfes umfassen, welche durch eine Spin-Photon-Wechselwirkung bzw. Elektron-Photon-Wechselwirkung mit dem mindestens einen Polarisationssignal polarisiert werden, und optional alle Spins des Spin-Systems bzw. Atome des Atomdampfes umfassen, welche durch eine Spin-Spin-Wechselwirkung bzw. Atom-Atom-Wechselwirkung basierend auf dem mindestens einen Polarisationssignal polarisiert werden.In particular, a polarization volume can be defined, the polarization volume comprising all spins of the spin system or atoms of the atomic vapor which are polarized by the at least one polarization signal. In this case, the polarization volume can in particular include all spins of the spin system or atoms of the atomic vapor, which are caused by a spin photon Interaction or electron-photon interaction are polarized with the at least one polarization signal, and optionally include all spins of the spin system or atoms of atomic vapor, which by a spin-spin interaction or atom-atom interaction based on the at least polarized a polarization signal.

Insbesondere kann ein Chaosvolumen definiert werden, wobei das Chaosvolumen alle Spins des Spin-Systems bzw. Atome des Atomdampfes umfasst, welche mit dem mindestens einen optischen Kickpuls durch Spin-Photon-Wechselwirkung bzw. Elektron-Photon-Wechselwirkung wechselwirken. Hierbei kann das Chaosvolumen insbesondere alle Spins des Spin-Systems bzw. Atome des Atomdampfes umfassen, welche mit dem mindestens einen optischen Kickpuls durch Spin-Photon-Wechselwirkung bzw. Elektron-Photon-Wechselwirkung wechselwirken, und optional alle Spins des Spin-Systems bzw. Atome des Atomdampfes umfassen, welche durch eine Spin-Spin-Wechselwirkung bzw. Atom-Atom-Wechselwirkung basierend auf dem mindestens einen optischen Kickpuls wechselwirken.In particular, a chaos volume can be defined, the chaos volume comprising all spins of the spin system or atoms of the atomic vapor which interact with the at least one optical kick pulse through spin-photon interaction or electron-photon interaction. Here, the chaos volume can in particular include all spins of the spin system or atoms of the atomic vapor, which interact with the at least one optical kick pulse by spin-photon interaction or electron-photon interaction, and optionally all spins of the spin system or Include atoms of the atomic vapor, which interact through a spin-spin interaction or atom-atom interaction based on the at least one optical kick pulse.

Der Magnetfeldsensor ist hierbei vorzugsweise ausgelegt, so dass eine Schnittmenge zwischen dem Polarisationsvolumen und dem Chaosvolumen mindestens ein Element bzw. einen Spin bzw. ein Atom des Atomdampfes umfasst. Eine Anzahl der Elemente der Schnittmenge kann hierbei die Anzahl der Atome N aus Gleichung 1 repräsentieren.The magnetic field sensor is preferably designed so that an intersection between the polarization volume and the chaos volume comprises at least one element or one spin or one atom of atomic vapor. A number of the elements of the intersection can represent the number of atoms N from equation 1.

Die optische Sonde ist ausgelegt, einen Teststrahl durch die Messzelle bzw. durch den Atomdampf zu emittieren. Hierbei kann die optische Sonde ausgelegt sein, kohärente und/oder monochromatische elektromagnetische Strahlung zu emittieren. Insbesondere kann die optische Sonde als ein Messlaser ausgelegt sein. Vorzugsweise ist die optische Sonde ferner konfiguriert, den Teststrahl mit einer geringen Intensität zu emittieren. Beispielsweise kann die optische Sonde einen Teststrahl mit einer Intensität von mindestens 0.1 mW/cm2, bevorzugt von mindestens 0.3 mW/cm2, am meisten bevorzugt von mindestens 0.4 mW/cm2 und von maximal 5 mW/cm2, bevorzugt von maximal 1 mW/cm2, am meisten bevorzugt von maximal 0.6 mW/cm2 emittieren. Der optische Teststrahl weist eine Messfrequenz auf, wobei die Messfrequenz in Abhängigkeit einer Resonanz eines elektronischen Übergangs des Atomdampfes bzw. der Messsonde eingestellt ist. Insbesondere ist die Messfrequenz rotverstimmt zu einem elektronischen Übergang des Atomdampfes bzw. der Messsonde.The optical probe is designed to emit a test beam through the measuring cell or through the atomic vapor. Here the optical probe can be designed to emit coherent and / or monochromatic electromagnetic radiation. In particular, the optical probe can be designed as a measuring laser. Preferably, the optical probe is further configured to emit the test beam with a low intensity. For example, the optical probe can generate a test beam with an intensity of at least 0.1 mW / cm 2 , preferably of at least 0.3 mW / cm 2 , most preferably of at least 0.4 mW / cm 2 and of a maximum of 5 mW / cm 2 , preferably of a maximum of 1 mW / cm 2 , most preferably of a maximum of 0.6 mW / cm 2 . The optical test beam has a measuring frequency, the measuring frequency being set as a function of a resonance of an electronic transition of the atomic vapor or the measuring probe. In particular, the measuring frequency is red-tuned to an electronic transition of the atomic vapor or the measuring probe.

Der optische Detektor ist ausgelegt, eine Transmission des Teststrahls durch den Atomdampf bzw. eine physikalische Größe der Transmission des Teststrahls durch den Atomdampf zu messen. Hierzu kann der optische Detektor mindestens eine Photodiode aufweisen. Der optische Detektor ist jedoch nicht auf Photodioden beschränkt, sondern kann mindestens einen beliebigen Photodetektor, beispielsweise einen Photodetektor auf Basis des inneren und/oder des äußeren photoelektrischen Effekts aufweisen. Der optische Detektor kann hierbei vorzugsweise ausgelegt sein, ein optisches Signal bzw. eine Transmission des Teststrahls durch den Atomdampf zu empfangen und in ein elektrisches Datensignal umzuwandeln.The optical detector is designed to measure a transmission of the test beam through the atomic vapor or a physical quantity of the transmission of the test beam through the atomic vapor. For this purpose, the optical detector can have at least one photodiode. However, the optical detector is not limited to photodiodes, but can have at least any desired photodetector, for example a photodetector based on the internal and / or the external photoelectric effect. The optical detector can here preferably be designed to receive an optical signal or a transmission of the test beam through the atomic vapor and to convert it into an electrical data signal.

Vorzugsweise ist der optische Detektor ausgelegt, die Transmission des Teststrahls während der chaotischen Dynamik des Spin-Systems zu messen. Insbesondere wird hierdurch eine verbesserte Messgenauigkeit des Magnetfeldes gegenüber der Messgenauigkeit eines herkömmlichen Atomdampf-Magnetometers ermöglicht.The optical detector is preferably designed to measure the transmission of the test beam during the chaotic dynamics of the spin system. In particular, this enables an improved measuring accuracy of the magnetic field compared to the measuring accuracy of a conventional atomic vapor magnetometer.

Vorzugsweise umfasst die optische Manipulations-Einrichtung mindestens einen Pumplaser, welcher ausgelegt ist, durch Emission von Licht das Spin-System in einem Anfangszustand zu polarisieren. Insbesondere ist der Pumplaser ausgelegt, das mindestens eine optische Polarisationssignal zu emittieren. Durch den mindestens einen Pumplaser kann insbesondere mindestens ein monochromatisches und kohärentes optisches Polarisationssignal emittiert werden, wodurch eine hohe Messgenauigkeit und zuverlässige Reproduzierbarkeit einer Messung ermöglicht wird. Vorzugsweise ist der mindestens eine Pumplaser konfiguriert, zirkular polarisiertes Licht zu emittieren.The optical manipulation device preferably comprises at least one pump laser which is designed to polarize the spin system in an initial state by emitting light. In particular, the pump laser is designed to emit the at least one optical polarization signal. In particular, at least one monochromatic and coherent optical polarization signal can be emitted by the at least one pump laser, which enables high measurement accuracy and reliable reproducibility of a measurement. The at least one pump laser is preferably configured to emit circularly polarized light.

Vorzugsweise umfasst die optische Manipulations-Einrichtung mindestens einen Kicklaser, welcher ausgelegt ist, den mindestens einen optischen Kickpuls zu emittieren. Durch den mindestens einen Kicklaser kann insbesondere mindestens ein monochromatischer und kohärenter optischer Kickpuls emittiert werden, wodurch eine hohe Messgenauigkeit und zuverlässige Reproduzierbarkeit einer Messung ermöglicht wird. Ferner ermöglicht der mindestens eine Kicklaser eine präzise Ansteuerung bzw. einen kontrollierten Erhalt der chaotischen Dynamik des Atomdampfes bzw. des Spin-Systems. Vorzugsweise ist der mindestens eine Kicklaser konfiguriert, linear polarisiertes Licht zu emittieren.The optical manipulation device preferably comprises at least one kick laser which is designed to emit the at least one optical kick pulse. In particular, at least one monochromatic and coherent optical kick pulse can be emitted by the at least one kick laser, which enables a high level of measurement accuracy and reliable reproducibility of a measurement. Furthermore, the at least one kick laser enables precise control or controlled maintenance of the chaotic dynamics of the atomic vapor or the spin system. The at least one kick laser is preferably configured to emit linearly polarized light.

Vorzugsweise ist der mindestens eine Kicklaser konfiguriert, den optischen Kickpuls parallel zu dem optischen Teststrahl zu emittieren. Alternativ ist der mindestens eine Kicklaser konfiguriert, so dass sich eine Wegstrecke des Teststrahls und eine Wegstrecke des mindestens einen optischen Kickpulses kreuzen.The at least one kick laser is preferably configured to emit the optical kick pulse parallel to the optical test beam. Alternatively, the at least one kick laser is configured so that a path of the test beam and a path of the at least one optical kick pulse intersect.

Vorzugsweise ist der Kicklaser bzw. die die optische Manipulations-Einrichtung konfiguriert, den Teststrahl zu emittieren bzw. als die optische Sonde ausgebildet sein. Somit kann der Kicklaser bzw. die optische Manipulations-Einrichtung die Rolle der optischen Sonde übernehmen bzw. zusätzlich als optische Sonde ausgebildet sein. Hierfür ist der Kicklaser konfiguriert, Laserlicht mit regelbarer, variabler Intensität zu emittieren. Vorzugsweise kann der Kicklaser hierbei ferner konfiguriert sein, mindestens einen ersten optischen Kickpuls und mindestens einen letzten optischen Kickpuls zu emittieren, wobei der optische Detektor den letzten optischen Kickpuls zumindest teilweise misst, um ein externes Magnetfeld zu messen.The kick laser or the optical manipulation device is preferably configured to emit the test beam or be designed as the optical probe. Thus, the kick laser or the optical manipulation device can take on the role of the optical probe or can also be designed as an optical probe. For this purpose, the kick laser is configured to emit laser light with adjustable, variable intensity. Preferably, the kick laser can also be configured to emit at least one first optical kick pulse and at least one last optical kick pulse, the optical detector at least partially measuring the last optical kick pulse in order to measure an external magnetic field.

Alternativ kann die optische Sonde als mindestens ein Kicklaser ausgebildet sein, wobei die optische Sonde hierbei ausgelegt ist, den mindestens einen optischen Kickpuls zu emittieren.Alternatively, the optical probe can be designed as at least one kick laser, the optical probe is designed here to emit the at least one optical kick pulse.

Vorzugsweise sind der Teststrahl und/oder der mindestens eine optische Kickpuls derart ausgerichtet, dass eine Wechselwirkung, insbesondere basierend auf dem AC-Stark-Effekt, zwischen dem Teststrahl und/oder dem mindestens einen optischen Kickpuls mit den Spins des Spin-Systems bzw. mit den Atomen des Atomdampfes bewirkt wird bzw. auftritt. Vorzugsweise kann die Polarisation der Spins des Spin-Systems bzw. der Atome des Atomdampfes vor der Messung bzw. dem Messvorgang eines Magnetfeldes ausgerichtet werden, um eine solche Wechselwirkung zu gewährleisten.The test beam and / or the at least one optical kick pulse are preferably aligned in such a way that an interaction, in particular based on the AC Stark effect, between the test beam and / or the at least one optical kick pulse with the spins of the spin system or with the atoms of the atomic vapor is caused or occurs. The polarization of the spins of the spin system or of the atoms of the atomic vapor can preferably be aligned before the measurement or the measuring process of a magnetic field in order to ensure such an interaction.

Insbesondere kann ein Testvolumen definiert werden, wobei das Testvolumen alle Spins des Spin-Systems bzw. Atome des Atomdampfes umfasst, welche mit dem einen optischen Teststrahl durch Spin-Photon-Wechselwirkung bzw. Elektron-Photon-Wechselwirkung wechselwirken.In particular, a test volume can be defined, the test volume comprising all spins of the spin system or atoms of the atomic vapor which interact with the one optical test beam by spin-photon interaction or electron-photon interaction.

Vorzugsweise bildet eine Ausrichtungsrichtung bzw. Ausrichtung des Pumplasers bzw. eine Ausrichtung des mindestens einen Polarisationssignals einen spitzen oder rechten Winkel mit dem externen Magnetfeld bzw. mit dem zu messenden Magnetfeld. Vorzugsweise bildet eine Ausrichtungsrichtung bzw. Ausrichtung der Polarisation des Kicklasers bzw. eine Ausrichtung der Polarisation des mindestens einen optischen Kickpulses einen spitzen oder rechten Winkel mit dem externen Magnetfeld bzw. mit dem zu messenden Magnetfeld.An alignment direction or alignment of the pump laser or an alignment of the at least one polarization signal preferably forms an acute or right angle with the external magnetic field or with the magnetic field to be measured. Preferably, an alignment direction or alignment of the polarization of the kick laser or an alignment of the polarization of the at least one optical kick pulse forms an acute or right angle with the external magnetic field or with the magnetic field to be measured.

Vorzugsweise umfasst der Magnetfeldsensor mindestens eine Magnetfeldeinrichtung, welche ausgelegt ist, Magnetfeldpulse in der Messzelle zu erzeugen. Hierfür kann die Magnetfeldeinrichtung mindestens eine Magnetfeldspule umfassen, welche um die Messzelle angeordnet ist. Insbesondere ist die Magnetfeldeinrichtung ausgelegt, den Anfangszustand des Spin-Systems bzw. die Spins des Spin-Systems zu drehen bzw. rotieren und/oder somit entlang einer gewünschten Richtung auszurichten. Insbesondere ist die Magnetfeldeinrichtung ausgelegt, den durch die optische Manipulations-Einrichtung polarisierten Anfangszustand des Spin-Systems bzw. die Spins des Spin-Systems zu drehen bzw. rotieren und/oder somit entlang einer gewünschten Richtung auszurichten.The magnetic field sensor preferably comprises at least one magnetic field device which is designed to generate magnetic field pulses in the measuring cell. For this purpose, the magnetic field device can comprise at least one magnetic field coil which is arranged around the measuring cell. In particular, the magnetic field device is designed to rotate or rotate the initial state of the spin system or the spins of the spin system and / or thus to align it along a desired direction. In particular, the magnetic field device is designed to rotate or rotate the initial state of the spin system or the spins of the spin system polarized by the optical manipulation device and / or thus to align it along a desired direction.

Vorzugsweise können der mindestens eine Kicklaser, der mindestens eine Pumplaser und die optische Sonde parallel ausgerichtet sein, so dass der mindestens eine Kickpuls, das mindestens eine Polarisationssignal und der mindestens eine Teststrahl im Wesentlichen parallel emittiert werden. Hierdurch kann insbesondere auf eine zusätzliche Drehung bzw. Ausrichtung des Anfangszustands des Spin-Systems, beispielsweise durch die mindestens eine Magnetfeldeinrichtung, verzichtet werden.The at least one kick laser, the at least one pump laser and the optical probe can preferably be aligned in parallel, so that the at least one kick pulse, the at least one polarization signal and the at least one test beam are emitted essentially in parallel. In this way, in particular, an additional rotation or alignment of the initial state of the spin system, for example by the at least one magnetic field device, can be omitted.

Vorzugsweise ist die optische Manipulations-Einrichtung ausgelegt, die chaotische Dynamik des Spin-Systems durch Emission von mindestens einem weiteren optischen Kickpuls zu erhalten, wobei die optische Manipulations-Einrichtung ausgelegt ist, den mindestens einen weiteren optischen Kickpuls in im Wesentlichen periodischen Zeitabständen zu emittieren. Der mindestens eine weitere optische Kickpuls kann hierbei insbesondere hinsichtlich Frequenz und/oder Intensität und/oder Dauer identisch zu dem mindestens einen optischen Kickpuls ausgebildet sein. Auch wenn der mindestens eine weitere optische Kickpuls sich von dem mindestens einen optischen Kickpuls unterscheiden kann, sind Ausführungen zu dem mindestens einen optischen Kickpuls in dieser Beschreibung prinzipiell auch auf den mindestens einen weiteren optischen Kickpuls anwendbar, soweit nicht ausdrücklich auf etwas anderes hingewiesen wird.The optical manipulation device is preferably designed to maintain the chaotic dynamics of the spin system by emitting at least one further optical kick pulse, the optical manipulation device being designed to emit the at least one further optical kick pulse at essentially periodic time intervals. The at least one further optical kick pulse can be designed to be identical to the at least one optical kick pulse, particularly with regard to frequency and / or intensity and / or duration. Even if the at least one further optical kick pulse can differ from the at least one optical kick pulse, statements on the at least one optical kick pulse in this description can in principle also be applied to the at least one further optical kick pulse, unless expressly stated otherwise.

Vorzugsweise weist eine Intensität des optischen Kickpulses eine Rechtecksfunktion und/oder eine Dreiecksfunktion und/oder eine nicht-lineare Funktion auf. Hierunter ist zu verstehen, dass, falls die Intensität des optischen Kickpulses eine Rechtecksfunktion aufweist, die Intensität während einer gesamten Kicklänge im Wesentlichen zu Beginn der Kicklänge auf etwa 100% einer Kicklaserintensität eingestellt und bis zum Ende der Kicklänge auf etwa 100% einer Kicklaserintensität gehalten wird. Ferner ist zu verstehen, dass, falls die Intensität des optischen Kickpulses eine Dreiecksfunktion aufweist, die Intensität während einer gesamten Kicklänge von etwa 0% der Kicklaserintensität im Wesentlichen linear auf etwa 100% der Kicklaserintensität erhöht und anschließend bis zum Ende der Kicklänge von etwa 100% der Kicklaserintensität im Wesentlichen linear auf etwa 0% der Kicklaserintensität reduziert wird. Hierbei kann die Intensität des optischen Kickpulses zwischen der im Wesentlichen linearen Erhöhung und der im Wesentlichen linearen Reduktion der Intensität auf etwa 100% der Kicklaserintensität gehalten werden. Ferner ist zu verstehen, dass, falls die Intensität des optischen Kickpulses eine nicht-lineare Funktion aufweist, die Intensität während einer gesamten Kicklänge von etwa 0% der Kicklaserintensität im Wesentlichen nicht-linear auf etwa 100% der Kicklaserintensität erhöht und/oder anschließend bis zum Ende der Kicklänge von etwa 100% der Kicklaserintensität im Wesentlichen nicht-linear auf etwa 0% der Kicklaserintensität reduziert wird. Hierbei kann die Intensität des optischen Kickpulses zwischen der Erhöhung und der Reduktion der Intensität auf etwa 100% der Kicklaserintensität gehalten werden. Die Kicklänge ist im Rahmen der Erfindung als Lasereinstrahldauer des Kicklasers pro optischem Kickpuls bzw. pro Messperiode zu verstehen. Die Kicklaserintensität repräsentiert eine eingestellte maximale Einstrahlungsintensität des Kicklasers.An intensity of the optical kick pulse preferably has a rectangular function and / or a triangular function and / or a non-linear function. This means that, if the intensity of the optical kick pulse has a rectangular function, the intensity is set to around 100% of a kick laser intensity during an entire kick length essentially at the beginning of the kick length and is kept at around 100% of a kick laser intensity until the end of the kick length . It is also to be understood that, if the intensity of the optical kick pulse has a triangular function, the intensity increases essentially linearly over an entire kick length from about 0% of the kick laser intensity to about 100% of the kick laser intensity and then by about 100% until the end of the kick length the kick laser intensity is reduced essentially linearly to about 0% of the kick laser intensity. Here, the intensity of the optical kick pulse can be kept between the essentially linear increase and the essentially linear reduction of the intensity to approximately 100% of the kick laser intensity. It is also to be understood that, if the intensity of the optical kick pulse has a non-linear function, the intensity is increased essentially non-linearly to about 100% of the kick laser intensity during an entire kick length from about 0% of the kick laser intensity and / or subsequently up to At the end of the kick length of approximately 100% of the kick laser intensity is reduced essentially non-linearly to approximately 0% of the kick laser intensity. The intensity of the optical kick pulse can be kept between the increase and the reduction of the intensity to about 100% of the kick laser intensity. In the context of the invention, the kick length is to be understood as the laser irradiation time of the kick laser per optical kick pulse or per measurement period. The kick laser intensity represents a set maximum irradiation intensity of the kick laser.

Vorzugsweise ist der optische Detektor ausgelegt, eine Intensität und/oder eine Polarisation der Transmission des Teststrahls zu messen. Auf Basis der Intensität und/oder der Polarisation der Transmission des Teststrahls kann das externe Magnetfeld berechnet bzw. abgeschätzt werden.The optical detector is preferably designed to measure an intensity and / or a polarization of the transmission of the test beam. The external magnetic field can be calculated or estimated on the basis of the intensity and / or the polarization of the transmission of the test beam.

Vorzugsweise umfasst der Atomdampf Alkali-Atome, bevorzugt 133Cs Atome. Alkali-Atome weisen ein einzelnes freies Elektron in der Valenzschale auf, und eignen sich daher besonders als Atomdampf des Magnetfeldsensors.The atomic vapor preferably comprises alkali atoms, preferably 133 Cs atoms. Alkali atoms have a single free electron in the valence shell and are therefore particularly suitable as atomic vapor of the magnetic field sensor.

Vorzugsweise kann der Atomdampf mindestens ein Schutzgas, bevorzugt Helium und/oder Stickstoff umfassen. Insbesondere kann Helium als ein Puffergas wirken, und somit eine Diffusion bzw. Kollisionen des Atomdampfes mit den Wänden der Messzelle reduzieren bzw. eine Beeinträchtigung des Spin-Systems durch Kollisionen bzw. Drehimpulstransfers mit den Wänden der Messzelle reduzieren. Insbesondere kann Stickstoff als ein Schutzgas wirken, und somit Strahlungswechselwirkungen zwischen den Atomen des Atomdampfes bzw. innerhalb des Spin-Systems reduzieren.The atomic vapor can preferably comprise at least one protective gas, preferably helium and / or nitrogen. In particular, helium can act as a buffer gas and thus reduce diffusion or collisions of the atomic vapor with the walls of the measuring cell or reduce impairment of the spin system due to collisions or angular momentum transfers with the walls of the measuring cell. In particular, nitrogen can act as a protective gas and thus reduce radiation interactions between the atoms of the atomic vapor or within the spin system.

Vorzugsweise weist der Atomdampf eine Dichte von mindestens etwa 104 Atomen/cm3, bevorzugt von mindestens etwa 109 Atomen/cm3, und/oder von maximal etwa 1015 Atomen/cm3, bevorzugt von maximal etwa 1011 Atomen/cm3 auf.The atomic vapor preferably has a density of at least about 10 4 atoms / cm 3 , preferably of at least about 109 atoms / cm 3 , and / or of a maximum of about 10 15 atoms / cm 3 , preferably of a maximum of about 10 11 atoms / cm 3 .

Vorzugsweise ist der Anfangszustand ein hyperfeiner Zustand oder ein gemischter Zustand hyperfeiner Zustände des Spin-Systems.The initial state is preferably a hyperfine state or a mixed state of hyperfine states of the spin system.

Vorzugsweise ist die optische Manipulations-Einrichtung ausgelegt, den Anfangszustand durch ein zirkular polarisiertes Lichtfeld zu polarisieren und/oder zu erzeugen.The optical manipulation device is preferably designed to polarize and / or generate the initial state by means of a circularly polarized light field.

Vorzugsweise weist der Magnetfeldsensor ein Gesamtvolumen auf, wobei das Gesamtvolumen gemäß dem Anwendungsbereich skalierbar ist. Somit kann eine Chip-basierte Ausbildung des Magnetfeldsensors ein Gesamtvolumen von mindestens 0.01cm3, bevorzugt mindestens 0.1cm3, weiter bevorzugt mindestens 1cm3 und maximal 10cm3, bevorzugt 5cm3, weiter bevorzugt 2cm3 aufweisen. Das Gesamtvolumen kann jedoch der Anwendung angepasst werden. Somit kann der Magnetfeldsensor fahrzeuggestützt und/oder flugzeuggestützt und/oder drohnengestützt und/oder satellitengestützt ausgebildet sein.The magnetic field sensor preferably has a total volume, the total volume being scalable according to the area of application. Thus, a chip-based embodiment of the magnetic field sensor, a total volume of at least 0.01cm 3, preferably at least 0.1cm 3, more preferably at least 1 cm 3 and a maximum of 10cm 3, preferably 5 cm 3, more preferably 2cm 3 have. However, the total volume can be adapted to the application. Thus, the magnetic field sensor can be vehicle-supported and / or aircraft-supported and / or drone-supported and / or satellite-supported.

Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zur Messung eines Magnetfelds, umfassend ein Bereitstellen einer Messzelle, welche einen Atomdampf umfasst, wobei der Atomdampf ein Spin-System von Spins individueller Atome aufweist. Das Verfahren umfasst ferner ein Polarisieren des Spin-Systems in einem Anfangszustand mittels einer optischen Manipulations-Einrichtung. Das Verfahren umfasst ferner ein Erzeugen einer chaotischen Dynamik des Spin-Systems durch ein Ausgeben von mindestens einem optischen Kickpuls von der Manipulations-Einrichtung auf das Spin-System. Das Verfahren umfasst ferner ein Erzeugen eines optischen Teststrahls von einer optischen Sonde durch den Atomdampf. Das Verfahren umfasst ferner ein Messen einer Transmission des optischen Teststrahls durch den Atomdampf von einem optischen Detektor, welcher den optischen Teststrahl empfängt.Another aspect relates to a method for measuring a magnetic field, comprising providing a measuring cell which comprises an atomic vapor, the atomic vapor having a spin system of spins of individual atoms. The method further comprises polarizing the spin system in an initial state by means of an optical manipulation device. The method further comprises generating chaotic dynamics of the spin system by outputting at least one optical kick pulse from the manipulation device to the spin system. The method further includes generating an optical test beam from an optical probe through the atomic vapor. The method further includes measuring a transmission of the test optical beam through the atomic vapor from an optical detector that receives the test optical beam.

Die Messzelle und/oder die optische Manipulations-Einrichtung und/oder die optische Sonde und/oder der optische Detektor können hierbei gemäß des oben beschriebenen Magnetfeldsensors ausgebildet sein.The measuring cell and / or the optical manipulation device and / or the optical probe and / or the optical detector can be designed according to the magnetic field sensor described above.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner ein Rotieren des Anfangszustands, nach dem Polarisieren des Spin-Systems und vor dem Erzeugen der chaotischen Dynamik, durch Erzeugen mindestens eines Magnetfeldpulses durch mindestens eine Magnetfeldeinrichtung. Hierdurch kann ein kontrollierter und gut definierter Anfangszustand vor der Emission des mindestens einen optischen Kickpulses ermöglicht werden. Die Magnetfeldeinrichtung kann hierbei gemäß des oben beschriebenen Magnetfeldsensors ausgebildet sein.The method preferably further comprises rotating the initial state, after polarizing the spin system and before generating the chaotic dynamics, by generating at least one magnetic field pulse by at least one magnetic field device. This enables a controlled and well-defined initial state before the emission of the at least one optical kick pulse. The magnetic field device can be designed in accordance with the magnetic field sensor described above.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner ein Rotieren eines Zustands des Spin-Systems, nach dem Erzeugen des optischen Teststrahls und vor dem Messen der Transmission, durch Erzeugen mindestens eines Magnetfeldpulses durch mindestens eine Magnetfeldeinrichtung. Hierdurch kann das Spin-System in einen optimalen Endzustand zur Auslesung bzw. Messung der Transmission des optischen Teststrahls durch den Atomdampf von einem optischen Detektor rotiert werden. Die Magnetfeldeinrichtung kann hierbei gemäß des oben beschriebenen Magnetfeldsensors ausgebildet sein.Preferably, the method further comprises rotating a state of the spin system, after generating the optical test beam and before measuring the transmission, by generating at least one magnetic field pulse by at least one magnetic field device. As a result, the spin system can be rotated by an optical detector into an optimal final state for reading out or measuring the transmission of the optical test beam through the atomic vapor. The magnetic field device can be designed in accordance with the magnetic field sensor described above.

Ein erstes exemplarisches Ausführungsbeispiel, im Folgenden „Beispiel 1“ genannt, wird beschrieben und mit einer Referenz-Messmethode bzw. Referenzmethode verglichen.A first exemplary embodiment, referred to below as “Example 1”, is described and compared with a reference measurement method or reference method.

Eine Messzelle bzw. Glaszelle beinhaltet ein Tröpfchen 133Cs-Metall, welches eine Dichte von etwa 2*1010/cm3 aufweist und ein Spin-System bildet, wobei das Cäsium eine Atomwolke bzw. einen Atomdampf bildet.A measuring cell or glass cell contains a droplet of 133 Cs metal, which has a density of about 2 * 10 10 / cm 3 and forms a spin system, with the cesium forming an atomic cloud or atomic vapor.

Ein Pumplaser ist auf die Glaszelle gerichtet und auf den D1 elektronischen Übergang des 133Cs-Atomdampfes gestimmt. Insbesondere polarisiert der Pumplaser den Atomdampf bzw. das Spin-System zu Beginn des Messvorgangs entlang der X-Achse. Der Pumplaser ist hierbei auf eine Frequenz von 335.116048807 THz (resonant zum D1-Übergang) eingestellt und konfiguriert, zirkular polarisiertes Licht zu emittieren.A pump laser is aimed at the glass cell and tuned to the D1 electronic transition of the 133 Cs atomic vapor. In particular, the pump laser polarizes the atomic vapor or the spin system at the beginning of the measurement process along the X axis. The pump laser is set to a frequency of 335.116048807 THz (resonant to the D1 transition) and configured to emit circularly polarized light.

Zur Beschreibung des Anfangszustandes des Spin-Systems in einem mathematischen Zustandsraum werden Kugelkoordinaten mit Polarwinkel θ ∈ [0, π), von der positiven Z-Achse aufgetragen, und Azimuthalwinkel φ ∈[0, 2π), von der positiven X-Achse aufgetragen, verwendet.To describe the initial state of the spin system in a mathematical state space, spherical coordinates with polar angle θ ∈ [0, π), plotted from the positive Z-axis, and azimuthal angle φ ∈ [0, 2π), plotted from the positive X-axis, used.

Für die Realisierung der Referenzmessung ist die Messdynamik durch die Präzession des Spin-Systems im Magnetfeld (in Z-Richtung) gegeben. Nach einem Messvorgang wird der Zustand ausgelesen. In der betrachteten Realisierung erfolgt dies mittels Polarisationsmessung, wobei eine Polarisationsebene eines linear polarisierten rotverstimmten Teststrahls, welcher von einem Messlaser emittiert wird, gedreht und anschließend über Photodioden gemessen wird.For the implementation of the reference measurement, the measurement dynamics are given by the precession of the spin system in the magnetic field (in the Z direction). The status is read out after a measurement process. In the implementation under consideration, this takes place by means of polarization measurement, a polarization plane of a linearly polarized red detuned test beam, which is emitted by a measuring laser, being rotated and then measured using photodiodes.

Der Messlaser ist für Beispiel 1 und die Referenzmethode auf eine Frequenz eingestellt, welche rotverstimmt zu einem D2-Übergang von 133Cs ist, und konfiguriert linear polarisiertes Licht bzw. einen linear polarisierten Teststrahl zu emittieren. Eine Intensität des Teststrahls ist auf 0.5 mW/cm2 eingestellt.For example 1 and the reference method, the measuring laser is set to a frequency which is red-detuned to a D2 transition of 133 Cs, and configured to emit linearly polarized light or a linearly polarized test beam. An intensity of the test beam is set to 0.5 mW / cm 2 .

Der Magnetfeldsensor aus Beispiel 1 umfasst ferner Magnetfeldspulen, welche um die Glaszelle angeordnet sind. Die Mägnetfeldspulen sind ausgelegt, einen Magnetfeldpuls zumindest in der Glaszelle zu erzeugen. Da ein polarisierter Zustand des Spin-Systems im Magnetfeld präzediert, kann der Zustand des Spin-Systems somit in eine gewünschte Position rotiert werden. Dies wird in dem in Beispiel 1 verwendeten Messverfahren vor einer Messdynamik gemacht. Die Messdynamik wird im Folgenden näher beschrieben.The magnetic field sensor from example 1 further comprises magnetic field coils which are arranged around the glass cell. The magnetic field coils are designed to generate a magnetic field pulse at least in the glass cell. Since a polarized state of the spin system precesses in the magnetic field, the state of the spin system can thus be rotated to a desired position. In the measurement method used in example 1, this is done before a measurement dynamic. The measurement dynamics are described in more detail below.

Das Spin-System und der D1 elektronische Übergang von 133Cs haben die folgenden Eckdaten im Rahmen von Beispiel 1:

  • I = 7/2, der Kernspin;
  • f = 3, 4, Hyperfeinstruktur-Quantenzahlen des Grundzustands;
  • f'= 3, 4, Hyperfeinstruktur-Quantenzahlen des angeregten Zustands;
  • g(f = 3) = -1/4; g(f = 4) =1/4, gyromagnetisches Verhältnis;
  • Γ = 4.561257 MHz, natürliche Linienbreite des D1 Übergangs;
  • Δground = 9.192631770 GHz, Hyperfeinaufspaltung des Grundzustands;
  • Δexciled = 1167.680 MHz, Hyperfeinaufspaltung des angeregten Zustands;
  • Isat = 2.498122 mW/cm2, Sättigungsintensität für stark verstimmtes π-polarisiertes Licht.
The spin system and the D1 electronic transition of 133 Cs have the following key data in the context of example 1:
  • I = 7/2, the nuclear spin;
  • f = 3, 4, hyperfine structure quantum numbers of the ground state;
  • f '= 3, 4, hyperfine structure quantum numbers of the excited state;
  • g (f = 3) = -1/4; g (f = 4) = 1/4, gyromagnetic ratio;
  • Γ = 4.561257 MHz, natural line width of the D1 transition;
  • Δ ground = 9.192631770 GHz, hyperfine splitting of the ground state;
  • Δ exciled = 1167.680 MHz, hyperfine splitting of the excited state;
  • I sat = 2,498,122 mW / cm 2 , saturation intensity for strongly detuned π-polarized light.

Für die Realisierung des Magnetfeldsensors wird die Realisierung der Referenzmessung durch einen Kicklaser ergänzt, welcher ausgelegt ist, parallel zum Messlaser mindestens einen optischen Kickpuls in das Spin-System einzustrahlen. Laserlicht des Kicklasers ist in X-Richtung linear polarisiert und rotverstimmt zum D1-Übergang. Der mindestens eine optische Kickpuls kann in vorbestimmten Zeitabständen, bevorzugt periodisch wiederholt werden. Wie in der Referenzmessung wird der Zustand ausgelesen und somit das Magnetfeld gemessen bzw. abgeschätzt.To implement the magnetic field sensor, the implementation of the reference measurement is supplemented by a kick laser, which is designed to emit at least one optical kick pulse into the spin system parallel to the measuring laser. The laser light from the kick laser is linearly polarized in the X direction and red-tuned to the D1 transition. The at least one optical kick pulse can be repeated at predetermined time intervals, preferably periodically. As in the reference measurement, the state is read out and thus the magnetic field is measured or estimated.

Externe Parameter und Einstellungen des Kicklasers sind wie folgt:External parameters and settings of the kick laser are as follows:

  • - Verstimmung des Kicklasers zum D1-Übergang: Δ = Δ e x c i t e d / 2 = 583.84  MHz ;
    Figure DE102018000118B4_0003
    - Detuning of the kick laser to the D1 transition: Δ = - Δ e x c i t e d / 2 = - 583.84 MHz ;
    Figure DE102018000118B4_0003
  • - Kicklaserintensität: IKick ≅ 0.1 mW/cm2;- Kick laser intensity: I kick ≅ 0.1 mW / cm 2 ;
  • - Kicklaserfrequenz: 335.116048807 THz - 583.84 MHz;- Kick laser frequency: 335.116048807 THz - 583.84 MHz;
  • - zu messendes Magnetfeld: B = 4*10-14 T;- Magnetic field to be measured: B = 4 * 10 -14 T;
  • - Ausrichtung des anfänglichen polarisierten Zustands: θ = π/2rad ; φ = π/2rad (so dass Anfangszustand in y-Richtung zeigt);Alignment of the initial polarized state: θ = π / 2rad; φ = π / 2rad (so that the initial state points in the y-direction);
  • - Periodendauer (Kick und Präzession): r = 1 ms;- Period duration (kick and precession): r = 1 ms;
  • - Dauer eines einzelnen Kicks: TKick = 2 * 10-6 s;- Duration of a single kick: T Kick = 2 * 10 -6 s;
  • - Rotationswinkel des Zustands um die Z-Achse unmittelbar vor der Polarisationsmessung: ϑ = π/ 2rad ;- Angle of rotation of the state about the Z axis immediately before the polarization measurement: ϑ = π / 2rad;
  • - Temperatur: T = 21 ° C;- temperature: T = 21 ° C;
  • - Radius der Messzelle: r = 1.5 cm;- Radius of the measuring cell: r = 1.5 cm;
  • - (optimale) Anzahl der Perioden der Messdynamik: NKick = 87354 ;- (optimal) number of periods of the measurement dynamics: N Kick = 87354;
  • - (optimale) Anzahl der Perioden für die Referenzmessung: NRef = 144056 ;- (optimal) number of periods for the reference measurement: N Ref = 144056;
  • - Dichte des Atomdampfes 2 * 1010 Atome/cm3 - Density of atomic vapor 2 * 10 10 atoms / cm 3

Eine Messung des zu messenden Magnetfelds mittels eines wie oben beschriebenen Magnetfeldsensors erfolgt gemäß der folgenden Schritte in der angegebenen Reihenfolge:

  1. 1. Polarisieren der Spins des Spin-Systems in einem Anfangszustand durch Emission von mindestens einem Polarisierungssignals durch den Pumplaser;
  2. 2. Rotieren des Anfangszustands durch Emission von mindestens einem Magnetfeldpuls über die mindestens eine Magnetfeldspule;
Beginn der Messdynamik
  • 3. Durchführen einer Messdynamik über NKick Perioden. Hierbei besteht jede Periode aus einer Präzessionszeit der Spins und einem darauffolgenden optischen Kickpuls der Länge TKick;
Ende der Messdynamik
  • 4. Rotieren des Zustands des Spin-Systems um einen Winkel ϑ nach der Messdynamik durch Emission von mindestens einem Magnetfeldpuls über die mindestens eine Magnetfeldspule;
  • 5. Auslesen bzw. Messen eines Endzustands des Spin-Systems mittels Polarisationsmessung;
  • 6. Wiederholen des Messverfahrens von Schritt 1 bis Schritt 5, wobei die Wiederholung beliebig oft wiederholt werden kann;
  • 7. Schätzung bzw. Berechnung des zu messenden Magnetfeldes aus den Messergebnissen, beispielsweise mittels einer Maximum-Likelihood-Methode.
A measurement of the magnetic field to be measured using one as described above Magnetic field sensor takes place according to the following steps in the given order:
  1. 1. Polarizing the spins of the spin system in an initial state by emission of at least one polarization signal by the pump laser;
  2. 2. Rotation of the initial state by emission of at least one magnetic field pulse via the at least one magnetic field coil;
Beginning of the measurement dynamics
  • 3. Performing a dynamic measurement over N kick periods. Each period consists of a precession time of the spins and a subsequent optical kick pulse of length T kick ;
End of measurement dynamics
  • 4. Rotating the state of the spin system by an angle ϑ according to the measurement dynamics by emitting at least one magnetic field pulse via the at least one magnetic field coil;
  • 5. Reading out or measuring a final state of the spin system by means of polarization measurement;
  • 6. Repeat the measurement procedure from step 1 up step 5 , whereby the repetition can be repeated as often as desired;
  • 7. Estimation or calculation of the magnetic field to be measured from the measurement results, for example by means of a maximum likelihood method.

Eine Messung des zu messenden Magnetfelds mittels der Referenzmethode erfolgt gemäß der folgenden Schritte in der angegebenen Reihenfolge:

  1. 1. Polarisieren der Spins des Spin-Systems in einem Anfangszustand durch Emission von mindestens einem Polarisierungssignals durch den Pumplaser;
  2. 2. Rotieren (optional) des Anfangszustands durch Emission von mindestens einem Magnetfeldpuls über die mindestens eine Magnetfeldspule;
Beginn der Messdynamik
  • 3. Durchführen einer Messdynamik über NRef Perioden, lediglich bestehend aus einer Präzessionszeit der Spins;
Ende der Messdynamik
  • 4. Rotieren (optional) des Zustands des Spin-Systems um einen Winkel 9 nach der Messdynamik durch Emission von mindestens einem Magnetfeldpuls über die mindestens eine Magnetfeldspule;
  • 5. Auslesen bzw. Messen eines Endzustands des Spin-Systems mittels Polarisationsmessung;
  • 6. Wiederholen des Messverfahrens von Schritt 1 bis Schritt 5, wobei die Wiederholung beliebig oft wiederholt werden kann;
  • 7. Schätzung bzw. Berechnung des zu messenden Magnetfeldes aus den Messergebnissen, beispielsweise mittels einer Maximum-Likelihood-Methode.
A measurement of the magnetic field to be measured using the reference method is carried out according to the following steps in the specified order:
  1. 1. Polarizing the spins of the spin system in an initial state by emission of at least one polarization signal by the pump laser;
  2. 2. Rotation (optional) of the initial state by emission of at least one magnetic field pulse via the at least one magnetic field coil;
Beginning of the measurement dynamics
  • 3. Performing a measurement dynamic over N Ref periods, consisting only of a precession time of the spins;
End of measurement dynamics
  • 4. Rotate (optional) the state of the spin system by an angle 9 according to the measurement dynamics by emission of at least one magnetic field pulse via the at least one magnetic field coil;
  • 5. Reading out or measuring a final state of the spin system by means of polarization measurement;
  • 6. Repeat the measurement procedure from step 1 up step 5 , whereby the repetition can be repeated as often as desired;
  • 7. Estimation or calculation of the magnetic field to be measured from the measurement results, for example by means of a maximum likelihood method.

Im Vergleich zwischen einem Messverfahren unter Verwendung von optischen Kickpulsen mit dem Referenzverfahren unter vergleichbaren Konditionen kann eine etwa 68% Verbesserung in der Messgenauigkeit gegenüber der Referenzmethode festgestellt werden. Die detaillierten Simulationsergebnisse sind 2 und der korrespondierenden Figurenbeschreibung zu entnehmen.In a comparison between a measuring method using optical kick pulses with the reference method under comparable conditions, an approximately 68% improvement in the measuring accuracy compared to the reference method can be determined. The detailed simulation results are 2 and the corresponding description of the figures.

Die Erfindung wird nachfolgend durch in Figuren illustrativ dargestellten exemplarischen Ausführungsformen weiter beschrieben. Es zeigen:

  • 1: Eine schematische Darstellung einer Messdynamik zur Messung eines Magnetfeldes auf Basis von optischen Kickpulsen;
  • 2: Eine schematische Darstellung eines Magnetfeldsensors mit einer optischen Manipulations-Einrichtung;
  • 3: Eine graphische Darstellung der Messgenauigkeit für verschiedene Magnetfeld-Messmethoden basierend auf Beispiel 1.
The invention is further described below by exemplary embodiments shown in the figures. Show it:
  • 1 : A schematic representation of a measurement dynamics for measuring a magnetic field based on optical kick pulses;
  • 2 : A schematic representation of a magnetic field sensor with an optical manipulation device;
  • 3 : A graphical representation of the measurement accuracy for various magnetic field measurement methods based on Example 1.

1 eine schematische Darstellung einer Messdynamik zur Messung eines Magnetfeldes auf Basis von optischen Kickpulsen KP. Hierbei umschließt eine Messzelle einen Atomdampf in einem Anfangszustand AZ. Der Anfangszustand AZ kann ein polarisierter Anfangszustand AZ sein. Die Messzelle und der von der Messzelle umfasste Atomdampf in dem Anfangszustand AZ werden einem externen Magnetfeld ausgesetzt. Hierdurch findet eine Präzession Rz(α) der Spins des Atomdampfes statt. Diese (reguläre) Präzession Rz(α) wird mindestens einmal von einem optischen Kickpuls KP unterbrochen. Je nach Position eines Spins des Atomdampfes in einem Zustandsraum des Spins wird ein Drehimpulszustand des Spins unterschiedlich stark gedreht, wodurch eine chaotische Dynamik hergestellt wird. Die optischen Kickpulse KP können hierbei periodisch bzw. in identischen Zeitabständen oder aperiodisch bzw. in unterschiedlichen Zeitabständen emittiert werden. Nach einer vorbestimmten Anzahl von optischen Kickpulsen KP erreicht das System eine Endzustand EZ, welcher mittels einer Intensitäts- und/oder Polarisationsmessung eines durch den Atomdampf emittierten Teststrahls ausgelesen bzw. gemessen wird. Die Messdynamik kann beliebig oft wiederholt werden, wobei das externe Magnetfeld auf Basis der gemessenen Werte berechnet bzw. geschätzt wird. Dies kann beispielsweise mittels einer Maximum-Likelihood-Methode erreicht werden. 1 a schematic representation of a measurement dynamics for measuring a magnetic field based on optical kick pulses KP . Here, a measuring cell encloses an atomic vapor in an initial state AZ . The initial state AZ can be a polarized initial state AZ be. The measuring cell and the atomic vapor comprised by the measuring cell in the initial state AZ are exposed to an external magnetic field. This causes a precession R z (α) the spins of atomic vapor take place. This (regular) precession R z (α) is at least once by an optical kick pulse KP interrupted. Depending on the position of a spin of the atomic vapor in a state space of the spin, an angular momentum state of the spin is rotated to different degrees, which creates a chaotic dynamic. The optical kick pulses KP can be emitted periodically or at identical time intervals or aperiodically or at different time intervals. After a predetermined number of optical kick pulses KP the system reaches a final state EZ which is read out or measured by means of an intensity and / or polarization measurement of a test beam emitted by the atomic vapor. The measurement dynamics can be as often as required are repeated, the external magnetic field being calculated or estimated on the basis of the measured values. This can be achieved, for example, using a maximum likelihood method.

2 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Magnetfeldsensors 100 mit einer optischen Manipulations-Einrichtung. Der Magnetfeldsensor 100 ist hierbei schematisch in einer X-Y-Ebene angeordnet, ist aber nicht auf eine solche Anordnung beschränkt. Hierbei ist ein zu messendes, externes Magnetfeld B exemplarisch parallel zu der Z-Achse ausgerichtet. Das externe Magnetfeld B durchdringt hierbei den Magnetfeldsensor 100, wobei der Magnetfeldsensor 100 vorzugsweise das externe Magnetfeld B im Wesentlichen nicht verändert. Im Wesentlichen ist im Rahmen dieser Beschreibung als umfassend geringer herstellungs- und umweltbedingter Abweichungen zu verstehen. 2 a schematic representation of an exemplary magnetic field sensor 100 with an optical manipulation device. The magnetic field sensor 100 is here arranged schematically in an XY plane, but is not limited to such an arrangement. Here is an external magnetic field to be measured B. exemplarily aligned parallel to the Z-axis. The external magnetic field B. here penetrates the magnetic field sensor 100 , the magnetic field sensor 100 preferably the external magnetic field B. essentially unchanged. Essentially, in the context of this description is to be understood as comprehensively low manufacturing and environmental-related deviations.

Der Magnetfeldsensor 100 umfasst ferner eine Messzelle 1, wobei die Messzelle 1 exemplarisch zentral innerhalb des Magnetfeldsensors 100 angeordnet ist. Insbesondere durchdringt das externe Magnetfeld B die Messzelle 1, wobei die Messzelle 1 vorzugsweise das externe Magnetfeld B im Wesentlichen nicht verändert. Die Messzelle 1 kann hierbei insbesondere kugelförmig oder zylinderförmig ausgebildet sein. Die Messzelle 1 kann aus einem für elektromagnetische Strahlung transparenten Material ausgebildet sein, wobei das für elektromagnetische Strahlung transparente Material insbesondere derart ausgebildet ist, so dass das für elektromagnetische Strahlung transparente Material insbesondere für elektromagnetische Strahlung bzw. Laserlicht einer optischen Manipulations-Einrichtung bzw. eines Pumplasers 5 und eines Kicklasers 6, und/oder einer optischen Sonde 4 transparent ist, welche nachfolgend weiter beschrieben sind.The magnetic field sensor 100 furthermore comprises a measuring cell 1 , the measuring cell 1 exemplarily centrally within the magnetic field sensor 100 is arranged. In particular, the external magnetic field penetrates B. the measuring cell 1 , the measuring cell 1 preferably the external magnetic field B. essentially unchanged. The measuring cell 1 can be designed in particular spherical or cylindrical. The measuring cell 1 can be formed from a material transparent to electromagnetic radiation, the material transparent to electromagnetic radiation being in particular formed in such a way that the material transparent to electromagnetic radiation is particularly suitable for electromagnetic radiation or laser light of an optical manipulation device or a pump laser 5 and a kick laser 6th , and / or an optical probe 4th is transparent, which are further described below.

Die Messzelle 1 umfasst bzw. umgibt einen Atomdampf 2. Hierbei kann die Messzelle 1 derart ausgebildet sein, dass keine chemischen Reaktionen zwischen der Messzelle 1 bzw. einer Messzellenwand und dem Atomdampf 2 stattfinden können. Die Messzelle 1 ist vorzugsweise versiegelt ausgebildet bzw. derart ausgebildet, dass Teile des durch die Messzelle 1 umfassten Atomdampfes 2 nicht in eine Umgebung außerhalb der Messzelle 1 entweichen können. Die Messzelle 1 ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass Teile des durch die Messzelle 1 umfassten Atomdampfes 2 nicht in ein Material der Messzelle 1 eindringen können und/oder dass Teile des durch die Messzelle 1 umfassten Atomdampfes 2 sich nicht in einem Material der Messzelle 1 einlagern bzw. interkalieren können.The measuring cell 1 includes or surrounds an atomic vapor 2 . The measuring cell can 1 be designed in such a way that no chemical reactions between the measuring cell 1 or a measuring cell wall and the atomic vapor 2 can take place. The measuring cell 1 is preferably designed to be sealed or designed in such a way that parts of the through the measuring cell 1 included atomic vapor 2 not in an environment outside of the measuring cell 1 can escape. The measuring cell 1 is preferably designed such that parts of the through the measuring cell 1 included atomic vapor 2 not in a material of the measuring cell 1 can penetrate and / or that parts of the through the measuring cell 1 included atomic vapor 2 not in a material of the measuring cell 1 be able to store or intercalate.

Der Atomdampf 2 ist in der Messzelle 1 angeordnet bzw. durch diese umgeben. Der Atomdampf 2 ist insbesondere als Messsonde des Magnetfeldsensors 100, welche empfindlich gegenüber Magnetfeldern B ist, ausgebildet, wobei insbesondere Spins von Atomen des Atomdampfes 2 die Messsonde bilden. Der Atomdampf 2 umfasst vorzugsweise Alkali-Atome, bevorzugt 133Cs Atome, wobei auch andere Atome von dem Atomdampf 2 umfasst sein können. Insbesondere kann der Atomdampf 2 ein Gemisch von Atomen von mindestens zwei unterschiedlichen Elementen und/oder von mindestens zwei unterschiedlichen Isotopen umfassen.The atomic vapor 2 is in the measuring cell 1 arranged or surrounded by them. The atomic vapor 2 is in particular as a measuring probe of the magnetic field sensor 100 which are sensitive to magnetic fields B. is formed, in particular spins of atoms of atomic vapor 2 form the measuring probe. The atomic vapor 2 preferably comprises alkali atoms, preferably 133 Cs atoms, with other atoms from the atomic vapor as well 2 can be included. In particular, the atomic vapor 2 comprise a mixture of atoms of at least two different elements and / or of at least two different isotopes.

Der Atomdampf 2 kann mindestens ein Schutzgas, bevorzugt Helium und/oder Stickstoff umfassen, wobei das mindestens eine Schutzgas beispielsweise eine Diffusion bzw. Kollisionen der Atome des Atomdampfes 2 mit den Wänden der Messzelle 1 reduziert bzw. eine Beeinträchtigung des Spin-Systems durch Kollisionen bzw. Drehimpulstransfers mit den Wänden der Messzelle 1 reduziert und/oder Strahlungswechselwirkungen zwischen den Atomen des Atomdampfes 2 bzw. innerhalb des Spin-Systems reduziert. Alternativ kann die Messzelle 1 auf zumindest einer Oberfläche der Messzelle 1, insbesondere innerhalb der Messzelle 1, mit mindestens einer Schutzschicht beschichtet sein, wobei die mindestens eine Schutzschicht beispielsweise eine Diffusion bzw. Kollisionen der Atome des Atomdampfes 2 mit den Wänden der Messzelle 1 reduziert bzw. eine Beeinträchtigung des Spin-Systems durch Kollisionen bzw. Drehimpulstransfers mit den Wänden der Messzelle 1 reduziert und/oder die Messzelle 1 von Beschädigungen und Abnutzung schützt. Die mindestens eine Schutzschicht kann mindestens einen Schutzfilm auf Basis von Paraffin und/oder mindestens einen Schutzfilm auf Basis von Alkenen, beispielsweise 1-Nonadezen (siehe z.B. US 2012 / 0 112 749 A1), aufweisen.The atomic vapor 2 can comprise at least one protective gas, preferably helium and / or nitrogen, the at least one protective gas, for example, a diffusion or collision of the atoms of the atomic vapor 2 with the walls of the measuring cell 1 reduced or impairment of the spin system due to collisions or angular momentum transfers with the walls of the measuring cell 1 reduced and / or radiation interactions between the atoms of atomic vapor 2 or reduced within the spin system. Alternatively, the measuring cell 1 on at least one surface of the measuring cell 1 , especially within the measuring cell 1 , be coated with at least one protective layer, the at least one protective layer, for example, a diffusion or collision of the atoms of the atomic vapor 2 with the walls of the measuring cell 1 reduced or impairment of the spin system due to collisions or angular momentum transfers with the walls of the measuring cell 1 reduced and / or the measuring cell 1 protects from damage and wear. The at least one protective layer can have at least one protective film based on paraffin and / or at least one protective film based on alkenes, for example 1-nonadecs (see, for example, US 2012/0 112 749 A1).

Der Atomdampf 2 kann eine Dichte von mindestens etwa 104 Atomen/cm3, bevorzugt von mindestens etwa 109 Atomen/cm3, und von maximal etwa 1015 Atomen/cm3, bevorzugt von maximal etwa 1011 Atomen/cm3 aufweisen. Insbesondere kann der Atomdampf 2 eine variable Dichte aufweisen, wobei die Dichte des Atomdampfes 2 durch bzw. über den Magnetfeldsensor 100 eingestellt werden kann.The atomic vapor 2 can have a density of at least about 10 4 atoms / cm 3 , preferably of at least about 10 9 atoms / cm 3 , and of a maximum of about 10 15 atoms / cm 3 , preferably of a maximum of about 10 11 atoms / cm 3 . In particular, the atomic vapor 2 have a variable density, the density of the atomic vapor 2 through or via the magnetic field sensor 100 can be adjusted.

Der Magnetfeldsensor 100 umfasst eine optische Manipulations-Einrichtung. Die optische Manipulations-Einrichtung ist ausgelegt, durch Emission von Licht das Spin-System in dem Anfangszustand AZ zu polarisieren. Hierbei ist die optische Manipulations-Einrichtung ausgelegt, mindestens ein optisches Polarisationssignal PS zu emittieren, wobei das mindestens eine optische Polarisationssignal PS den Atomdampf 2 durchläuft und die Spins des Spin-Systems polarisiert. Hierfür kann die optische Manipulations-Einrichtung mindestens einen Polarisationslaser bzw. einen Pumplaser 5 aufweisen, wobei der mindestens eine Pumplaser 5 ausgelegt ist, das mindestens eine Polarisationssignal PS zu emittieren. Der mindestens eine Pumplaser 5 ist insbesondere derart ausgebildet, dass das mindestens eine Polarisationssignal PS bevorzugt eine Frequenz hat, so dass das mindestens eine Polarisationssignal PS resonant zu einem ersten elektronischen Übergang der Atome des Atomdampfes 2 ist. Der Pumplaser 5 kann hierbei insbesondere ausgelegt sein, eine vollständige oder eine partielle Polarisation der Spins des Spin-Systems zu bewirken. Vorzugsweise weist der Gesamtpolarisationsgrad p des Spin-Systems einen Wert von mindestens 10%, bevorzugt mindestens 50%, weiter bevorzugt mindestens 80%, am meisten bevorzugt mindestens 90% auf.The magnetic field sensor 100 comprises an optical manipulation device. The optical manipulation device is designed to reduce the spin system in the initial state by emitting light AZ to polarize. Here, the optical manipulation device is designed to have at least one optical polarization signal PS to emit, the at least one optical polarization signal PS the atomic vapor 2 and polarizes the spins of the spin system. For this purpose, the optical manipulation device can have at least one polarization laser or a pump laser 5 have, the at least one pump laser 5 is designed the at least one polarization signal PS to emit. The at least one pump laser 5 is in particular designed such that the at least one polarization signal PS preferably has a frequency so that the at least one polarization signal PS resonant to a first electronic transition of the atoms of atomic vapor 2 is. The pump laser 5 can be designed in particular to bring about a complete or a partial polarization of the spins of the spin system. The total degree of polarization p of the spin system preferably has a value of at least 10%, preferably at least 50%, more preferably at least 80%, most preferably at least 90%.

Die optische Manipulations-Einrichtung ist ausgelegt, mindestens einen optischen Kickpuls KP zu emittieren. Der optische Kickpuls KP ist insbesondere ausgelegt, durch Elektron-Photon-Wechselwirkung mit dem Spin-System des Atomdampfes 2 zu wechselwirken und somit einen Zustand des Spin-Systems, insbesondere den Anfangszustand AZ des Spin-Systems zu verändern. Somit ist die optische Manipulations-Einrichtung ausgelegt, eine chaotische Dynamik des Spin-Systems zu erzeugen bzw. herzustellen. Der mindestens eine optische Kickpuls KP weist vorzugsweise eine Frequenz auf, welche niedriger ist als das mindestens eine Polarisationssignal PS.The optical manipulation device is designed to have at least one optical kick pulse KP to emit. The optical kick pulse KP is especially designed through electron-photon interaction with the spin system of atomic vapor 2 to interact and thus a state of the spin system, especially the initial state AZ of the spin system. The optical manipulation device is thus designed to generate or establish a chaotic dynamics of the spin system. The at least one optical kick pulse KP preferably has a frequency which is lower than the at least one polarization signal PS .

Vorzugsweise umfasst die optische Manipulations-Einrichtung mindestens einen Kicklaser 6, welcher ausgelegt ist, den mindestens einen optischen Kickpuls KP zu emittieren. Durch den mindestens einen Kicklaser 6 kann insbesondere mindestens ein monochromatischer und kohärenter optischer Kickpuls KP emittiert werden. Ferner ermöglicht der mindestens eine Kicklaser 6 insbesondere eine präzise Ansteuerung des Zustands bzw. einen kontrollierten Erhalt der chaotischen Dynamik des Atomdampfes 2 bzw. des Spin-Systems. Vorzugsweise ist der mindestens eine Kicklaser 6 konfiguriert, linear polarisiertes Licht zu emittieren.The optical manipulation device preferably comprises at least one kick laser 6th , which is designed, the at least one optical kick pulse KP to emit. With at least one kick laser 6th can in particular at least one monochromatic and coherent optical kick pulse KP are emitted. Furthermore, the at least one kick laser enables 6th in particular a precise control of the state or a controlled maintenance of the chaotic dynamics of the atomic vapor 2 or the spin system. The at least one kick laser is preferably used 6th configured to emit linearly polarized light.

Die optische Manipulations-Einrichtung ist insbesondere ausgelegt, so dass eine Polarisationsrichtung des mindestens einen Polarisationssignals PS im Wesentlichen orthogonal zu einer Emissionsrichtung des mindestens einen optischen Kickpulses KP ist. Insbesondere kann die optische Manipulations-Einrichtung vorzugsweise ausgelegt sein, so dass mindestens ein Punkt in der Messzelle 1 durch das mindestens eine optische Polarisationssignal PS und durch den mindestens einen optischen Kickpuls KP durchlaufen bzw. erreicht wird. Beziehungsweise können der Pumplaser 5 und der Kicklaser 6 insbesondere ausgerichtet sein, so dass sich das Polarisationssignal PS und der mindestens eine optische Kickpuls KP an einem Punkt innerhalb der Messzelle 1 kreuzen können.The optical manipulation device is designed in particular so that a polarization direction of the at least one polarization signal PS essentially orthogonal to an emission direction of the at least one optical kick pulse KP is. In particular, the optical manipulation device can preferably be designed so that at least one point in the measuring cell 1 by the at least one optical polarization signal PS and by the at least one optical kick pulse KP is passed through or reached. Or the pump laser 5 and the kick laser 6th in particular be aligned so that the polarization signal PS and the at least one optical kick pulse KP at one point within the measuring cell 1 can cross.

Insbesondere kann ein Polarisationsvolumen definiert werden, wobei das Polarisationsvolumen alle Spins des Spin-Systems bzw. Atome des Atomdampfes 2 umfasst, welche durch das mindestens eine Polarisationssignal PS polarisiert werden. Ferner kann insbesondere ein Chaosvolumen definiert werden, wobei das Chaosvolumen alle Spins des Spin-Systems bzw. Atome des Atomdampfes 2 umfasst, welche mit dem mindestens einen optischen Kickpuls KP durch Spin-Photon-Wechselwirkung bzw. Elektron-Photon-Wechselwirkung wechselwirken. Der Magnetfeldsensor 100 ist hierbei vorzugsweise ausgelegt, so dass eine Schnittmenge zwischen dem Polarisationsvolumen und dem Chaosvolumen mindestens ein Element bzw. einen Spin bzw. ein Atom des Atomdampfes 2 umfasst.In particular, a polarization volume can be defined, the polarization volume being all spins of the spin system or atoms of atomic vapor 2 comprises which by the at least one polarization signal PS be polarized. Furthermore, a chaos volume can in particular be defined, the chaos volume having all spins of the spin system or atoms of atomic vapor 2 includes which with the at least one optical kick pulse KP interact by spin-photon interaction or electron-photon interaction. The magnetic field sensor 100 is preferably designed so that an intersection between the polarization volume and the chaos volume is at least one element or one spin or one atom of atomic vapor 2 includes.

Der Magnetfeldsensor 100 umfasst eine Sensoreinrichtung, wobei die Sensoreinrichtung eine optische Sonde 4 umfasst. Die optische Sonde 4 ist ausgelegt, einen Teststrahl TS durch die Messzelle 1 bzw. durch den Atomdampf 2 zu emittieren. The magnetic field sensor 100 comprises a sensor device, the sensor device being an optical probe 4th includes. The optical probe 4th is designed to use a test beam TS through the measuring cell 1 or by the atomic vapor 2 to emit.

Hierbei kann die optische Sonde 4 insbesondere ausgelegt sein, kohärente und/oder monochromatische elektromagnetische Strahlung zu emittieren. Insbesondere kann die optische Sonde 4 als ein Messlaser ausgelegt sein. Vorzugsweise ist die optische Sonde 4 ferner konfiguriert, den Teststrahl TS mit einer geringen Intensität zu emittieren. Der optische Teststrahl TS weist vorzugsweise eine Messfrequenz auf, wobei die Messfrequenz in Abhängigkeit einer Resonanz eines elektronischen Übergangs des Atomdampfes 2 bzw. der Messsonde eingestellt ist.Here the optical probe 4th in particular be designed to emit coherent and / or monochromatic electromagnetic radiation. In particular, the optical probe 4th be designed as a measuring laser. Preferably the optical probe is 4th further configured the test beam TS to emit with a low intensity. The optical test beam TS preferably has a measuring frequency, the measuring frequency depending on a resonance of an electronic transition of the atomic vapor 2 or the measuring probe is set.

Die Sensoreinrichtung umfasst ferner einen optischen Detektor 3, wobei der optische Detektor 3 ausgelegt ist, eine Transmission des Teststrahls TS durch den Atomdampf 2 bzw. eine physikalische Größe der Transmission des Teststrahls TS durch den Atomdampf 2 zu messen. Hierzu kann der optische Detektor 3 exemplarisch einen Signalteiler 9 aufweisen, welcher ausgelegt ist, ein von dem Signalteiler empfangenes optisches Signal bzw. die Transmission des Teststrahls TS durch den Atomdampf 2 in insbesondere zwei, vorzugsweise gleiche, Signalteile aufzuteilen. Ein erstes Signalteil wird an eine erste Photodiode 10A und ein zweites Signalteil wird an eine zweite Photodiode 10B geleitet, welche das jeweils empfangene Signalteil in ein erstes bzw. zweites elektrisches Datensignal umwandeln und dieses an eine Auswertungseinheit 11 leiten. Der optische Detektor 3 ist jedoch nicht auf Photodioden beschränkt, sondern kann mindestens einen beliebigen Photodetektor, beispielsweise einen Photodetektor auf Basis des inneren und/oder des äußeren photoelektrischen Effekts aufweisen. Die Auswertungseinheit 11 empfängt jeweils das erste und zweite Datensignal und bestimmt, basierend auf dem ersten und zweiten Datensignal das externe Magnetfeld B. Hierbei ist der optische Detektor 3 vorzugsweise ausgelegt, die Transmission des Teststrahls TS während der chaotischen Dynamik des Spin-Systems zu messen.The sensor device further comprises an optical detector 3 , the optical detector 3 is designed, a transmission of the test beam TS through the atomic vapor 2 or a physical quantity of the transmission of the test beam TS through the atomic vapor 2 to eat. The optical detector can do this 3 an example of a signal splitter 9 have, which is designed, an optical signal received by the signal splitter or the transmission of the test beam TS through the atomic vapor 2 divide into two, preferably identical, signal parts in particular. A first signal part is sent to a first photodiode 10A and a second signal part is sent to a second photodiode 10B which convert the received signal part into a first or second electrical data signal and this to an evaluation unit 11 conduct. The optical detector 3 is not limited to photodiodes, but can have at least any desired photodetector, for example a photodetector based on the internal and / or the external photoelectric effect. The evaluation unit 11 receives the first and second data signals, respectively, and determines the external one based on the first and second data signal Magnetic field B. . Here is the optical detector 3 preferably designed, the transmission of the test beam TS to measure during the chaotic dynamics of the spin system.

Der optische Detektor 3 kann vorzugsweise ausgelegt sein, eine Position der Transmission des Teststrahls TS durch den Atomdampf 2, an welcher die Transmission des Teststrahls TS durch den Atomdampf 2 auf den optischen Detektor trifft, zu bestimmen. Der Magnetfeldsensor 100 kann vorzugsweise eine Position der optischen Sonde 4 bestimmen bzw. ermitteln. Alternativ kann die Position der optischen Sonde 4 in dem Magnetfeldsensor gespeichert sein. Insbesondere kann der Magnetfeldsensor 100 basierend auf der Position der optischen Sonde 4 und der Position der Transmission des Teststrahls TS durch den Atomdampf 2, an welcher die Transmission des Teststrahls TS durch den Atomdampf 2 auf den optischen Detektor 3 trifft, einen Strahlenverlauf des Teststrahls TS bestimmen. Vorzugsweise kann der Magnetfeldsensor 100 eine Sonden-Positionseinheit umfassen, welche ausgelegt ist, eine Position und/oder eine Ausrichtung der optischen Sonde 4 zu variieren. Insbesondere kann der Magnetfeldsensor 100 basierend auf dem ermittelten Strahlenverlaufs des Teststrahls TS die Sonden-Positionseinheit ansteuern, um eine Positions-Kalibrierung der optischen Sonde 4 bzw. eine Kalibrierung/Anpassung des Strahlenverlaufs des Teststrahls TS zu ermöglichen.The optical detector 3 can preferably be designed a position of the transmission of the test beam TS through the atomic vapor 2 at which the transmission of the test beam TS through the atomic vapor 2 hits the optical detector to determine. The magnetic field sensor 100 can preferably be a position of the optical probe 4th determine or determine. Alternatively, the position of the optical probe 4th be stored in the magnetic field sensor. In particular, the magnetic field sensor 100 based on the position of the optical probe 4th and the position of the transmission of the test beam TS through the atomic vapor 2 at which the transmission of the test beam TS through the atomic vapor 2 on the optical detector 3 hits a beam path of the test beam TS determine. The magnetic field sensor can preferably 100 a probe position unit which is designed to include a position and / or an orientation of the optical probe 4th to vary. In particular, the magnetic field sensor 100 based on the determined beam path of the test beam TS control the probe position unit to perform a position calibration of the optical probe 4th or a calibration / adaptation of the beam path of the test beam TS to enable.

Der optische Detektor 3 kann vorzugsweise ausgelegt sein, eine Polarisation der Transmission des Teststrahls TS durch den Atomdampf 2 zu messen. Der Magnetfeldsensor 100 kann vorzugsweise eine Sonden-Polarisationseinheit aufweisen, welche ausgelegt ist, eine Polarisation des Teststrahls TS zu variieren. Insbesondere kann der Magnetfeldsensor 100 basierend auf der gemessenen Polarisation des Teststrahls TS die Sonden-Polarisationseinheit ansteuern, um eine Polarisations-Kalibrierung der optischen Sonde 4 zu ermöglichen.The optical detector 3 can preferably be designed a polarization of the transmission of the test beam TS through the atomic vapor 2 to eat. The magnetic field sensor 100 can preferably have a probe polarization unit which is designed to polarize the test beam TS to vary. In particular, the magnetic field sensor 100 based on the measured polarization of the test beam TS control the probe polarization unit to carry out a polarization calibration of the optical probe 4th to enable.

Der optische Detektor 3 kann vorzugsweise ausgelegt sein, eine Intensität der Transmission des Teststrahls TS durch den Atomdampf 2 zu messen. Der Magnetfeldsensor 100 kann vorzugsweise eine Sonden-Intensitätseinheit aufweisen, welche ausgelegt ist, eine Intensität des Teststrahls TS zu variieren. Insbesondere kann der Magnetfeldsensor 100 basierend auf der gemessenen Intensität des Teststrahls TS die Sonden-Intensitätseinheit ansteuern, um eine Polarisations-Kalibrierung der optischen Sonde 4 zu ermöglichen.The optical detector 3 can preferably be designed an intensity of the transmission of the test beam TS through the atomic vapor 2 to eat. The magnetic field sensor 100 can preferably have a probe intensity unit which is designed to indicate an intensity of the test beam TS to vary. In particular, the magnetic field sensor 100 based on the measured intensity of the test beam TS control the probe intensity unit to carry out a polarization calibration of the optical probe 4th to enable.

Die Sensoreinrichtung kann ferner einen optischen Polarisationssignal-Detektor umfassen, wobei der optische Polarisationssignal-Detektor ausgelegt ist, eine Transmission des Polarisationssignals PS durch den Atomdampf 2 bzw. eine physikalische Größe der Transmission des Polarisationssignals PS durch den Atomdampf 2 zu messen.The sensor device can furthermore comprise an optical polarization signal detector, the optical polarization signal detector being designed to transmit the polarization signal PS through the atomic vapor 2 or a physical quantity of the transmission of the polarization signal PS through the atomic vapor 2 to eat.

Der optische Polarisationssignal-Detektor kann vorzugsweise ausgelegt sein, eine Position der Transmission des Polarisationssignals PS durch den Atomdampf 2, an welcher die Transmission des Polarisationssignals PS durch den Atomdampf 2 auf den optischen Polarisationssignal-Detektor trifft, zu bestimmen. Der Magnetfeldsensor 100 kann vorzugsweise eine Position des Pumplasers 5 bestimmen bzw. ermitteln. Alternativ kann die Position des Pumplasers 5 in dem Magnetfeldsensor 100 gespeichert sein. Insbesondere kann der Magnetfeldsensor 100 basierend auf der Position des Pumplasers 5 und der Position der Transmission des Polarisationssignals PS durch den Atomdampf 2, an welcher die Transmission des Polarisationssignals PS durch den Atomdampf 2 auf den optischen Polarisationssignal-Detektor trifft, einen Strahlenverlauf des Polarisationssignals PS bestimmen. Vorzugsweise kann der Magnetfeldsensor 100 eine Pumplaser- Positionseinheit umfassen, welche ausgelegt ist, eine Position und/oder eine Ausrichtung des Pumplasers 5 zu variieren. Insbesondere kann der Magnetfeldsensor 100 basierend auf dem ermittelten Strahlenverlaufs des Polarisationssignals PS die Pumplaser-Positionseinheit ansteuern, um eine Positions-Kalibrierung des Pumplasers 5 bzw. eine Kalibrierung/Anpassung des Strahlenverlaufs des Polarisationssignals PS zu ermöglichen.The optical polarization signal detector can preferably be designed for a position of the transmission of the polarization signal PS through the atomic vapor 2 at which the transmission of the polarization signal PS through the atomic vapor 2 meets the optical polarization signal detector to determine. The magnetic field sensor 100 can preferably be a position of the pump laser 5 determine or determine. Alternatively, the position of the pump laser 5 in the magnetic field sensor 100 be saved. In particular, the magnetic field sensor 100 based on the position of the pump laser 5 and the position of the transmission of the polarization signal PS through the atomic vapor 2 at which the transmission of the polarization signal PS through the atomic vapor 2 hits the optical polarization signal detector, a beam path of the polarization signal PS determine. The magnetic field sensor can preferably 100 comprise a pump laser position unit which is designed to include a position and / or an orientation of the pump laser 5 to vary. In particular, the magnetic field sensor 100 based on the determined beam path of the polarization signal PS control the pump laser position unit to perform a position calibration of the pump laser 5 or a calibration / adaptation of the beam path of the polarization signal PS to enable.

Der optische Polarisationssignal-Detektor kann vorzugsweise ausgelegt sein, eine Polarisation der Transmission des Polarisationssignals PS durch den Atomdampf 2 zu messen. Der Magnetfeldsensor 100 kann vorzugsweise eine Pumplaser-Polarisationseinheit aufweisen, welche ausgelegt ist, eine Polarisation des Polarisationssignals PS zu variieren. Insbesondere kann der Magnetfeldsensor 100 basierend auf der gemessenen Polarisation des Polarisationssignals PS die Pumplaser-Polarisationseinheit ansteuern, um eine Polarisations-Kalibrierung des Pumplasers 5 zu ermöglichen.The optical polarization signal detector can preferably be designed for a polarization of the transmission of the polarization signal PS through the atomic vapor 2 to eat. The magnetic field sensor 100 can preferably have a pump laser polarization unit which is designed to polarize the polarization signal PS to vary. In particular, the magnetic field sensor 100 based on the measured polarization of the polarization signal PS control the pump laser polarization unit in order to carry out a polarization calibration of the pump laser 5 to enable.

Der optische Polarisationssignal-Detektor kann vorzugsweise ausgelegt sein, eine Intensität der Transmission des Polarisationssignals PS durch den Atomdampf 2 zu messen. Der Magnetfeldsensor 100 kann vorzugsweise eine Pumplaser-Intensitätseinheit aufweisen, welche ausgelegt ist, eine Intensität des Polarisationssignals PS zu variieren. Insbesondere kann der Magnetfeldsensor 100 basierend auf der gemessenen Intensität des Polarisationssignals PS die Pumplaser-Intensitätseinheit ansteuern, um eine Polarisations-Kalibrierung des Pumplasers 5 zu ermöglichen.The optical polarization signal detector can preferably be designed to measure an intensity of the transmission of the polarization signal PS through the atomic vapor 2 to eat. The magnetic field sensor 100 can preferably have a pump laser intensity unit which is designed to provide an intensity of the polarization signal PS to vary. In particular, the magnetic field sensor 100 based on the measured intensity of the polarization signal PS control the pump laser intensity unit in order to carry out a polarization calibration of the pump laser 5 to enable.

Die Sensoreinrichtung kann ferner einen optischen Kickpuls-Detektor umfassen, wobei der optische Kickpuls-Detektor ausgelegt ist, eine Transmission eines optischen Kickpulses KP durch den Atomdampf 2 bzw. eine physikalische Größe der Transmission des optischen Kickpulses KP durch den Atomdampf 2 zu messen.The sensor device can furthermore comprise an optical kick pulse detector, the optical kick pulse detector being designed to transmit an optical kick pulse KP through the atomic vapor 2 or a physical quantity of the transmission of the optical kick pulse KP through the atomic vapor 2 to eat.

Der optische Kickpuls-Detektor kann vorzugsweise ausgelegt sein, eine Position der Transmission des optischen Kickpulses KP durch den Atomdampf 2, an welcher die Transmission des optischen Kickpulses KP durch den Atomdampf 2 auf den optischen Kickpuls-Detektor trifft, zu bestimmen. Der Magnetfeldsensor 100 kann vorzugsweise eine Position des Kicklasers 6 bestimmen bzw. ermitteln. Alternativ kann die Position des Kicklasers 6 in dem Magnetfeldsensor 100 gespeichert sein. Insbesondere kann der Magnetfeldsensor 100 basierend auf der Position des Kicklasers 6 und der Position der Transmission des optischen Kickpulses KP durch den Atomdampf 2, an welcher die Transmission des optischen Kickpulses KP durch den Atomdampf 2 auf den optischen Kickpuls-Detektor trifft, einen Strahlenverlauf des optischen Kickpulses KP bestimmen. Vorzugsweise kann der Magnetfeldsensor 100 eine Kicklaser-Positionseinheit umfassen, welche ausgelegt ist, eine Position und/oder eine Ausrichtung des Kicklasers 6 zu variieren. Insbesondere kann der Magnetfeldsensor 100 basierend auf dem ermittelten Strahlenverlaufs des optischen Kickpulses KP die Kicklaser-Positionseinheit ansteuern, um eine Positions-Kalibrierung des Kicklasers 6 bzw. eine Kalibrierung/Anpassung des Strahlenverlaufs des optischen Kickpulses KP zu ermöglichen.The optical kick pulse detector can preferably be designed for a position of the transmission of the optical kick pulse KP through the atomic vapor 2 at which the transmission of the optical kick pulse KP through the atomic vapor 2 hits the optical kick pulse detector to determine. The magnetic field sensor 100 can preferably be a position of the kick laser 6th determine or determine. Alternatively, the position of the kick laser 6th in the magnetic field sensor 100 be saved. In particular, the magnetic field sensor 100 based on the position of the kick laser 6th and the position of the transmission of the optical kick pulse KP through the atomic vapor 2 at which the transmission of the optical kick pulse KP through the atomic vapor 2 hits the optical kick pulse detector, a beam path of the optical kick pulse KP determine. The magnetic field sensor can preferably 100 a kick laser position unit which is designed to include a position and / or an orientation of the kick laser 6th to vary. In particular, the magnetic field sensor 100 based on the determined beam path of the optical kick pulse KP control the kick laser position unit in order to calibrate the position of the kick laser 6th or a calibration / adaptation of the beam path of the optical kick pulse KP to enable.

Der optische Kickpuls-Detektor kann vorzugsweise ausgelegt sein, eine Polarisation der Transmission des optischen Kickpulses KP durch den Atomdampf 2 zu messen. The optical kick pulse detector can preferably be designed to polarize the transmission of the optical kick pulse KP through the atomic vapor 2 to eat.

Der Magnetfeldsensor 100 kann vorzugsweise eine Kicklaser-Polarisationseinheit aufweisen, welche ausgelegt ist, eine Polarisation des optischen Kickpulses KP zu variieren. Insbesondere kann der Magnetfeldsensor 100 basierend auf der gemessenen Polarisation des optischen Kickpulses KP die Kicklaser-Polarisationseinheit ansteuern, um eine Polarisations-Kalibrierung des Kicklasers 6 zu ermöglichen.The magnetic field sensor 100 can preferably have a kick laser polarization unit which is designed to polarize the optical kick pulse KP to vary. In particular, the magnetic field sensor 100 based on the measured polarization of the optical kick pulse KP control the kick laser polarization unit to carry out a polarization calibration of the kick laser 6th to enable.

Der optische Kickpuls-Detektor kann vorzugsweise ausgelegt sein, eine Intensität der Transmission des optischen Kickpulses KP durch den Atomdampf 2 zu messen. Der Magnetfeldsensor 100 kann vorzugsweise eine Kicklaser-Intensitätseinheit aufweisen, welche ausgelegt ist, eine Intensität des optischen Kickpulses KP zu variieren. Insbesondere kann der Magnetfeldsensor 100 basierend auf der gemessenen Intensität des optischen Kickpulses KP die Kicklaser-Intensitätseinheit ansteuern, um eine Polarisations-Kalibrierung des Kicklasers 6 zu ermöglichen.The optical kick pulse detector can preferably be designed to indicate an intensity of the transmission of the optical kick pulse KP through the atomic vapor 2 to eat. The magnetic field sensor 100 can preferably have a kick laser intensity unit which is designed to provide an intensity of the optical kick pulse KP to vary. In particular, the magnetic field sensor 100 based on the measured intensity of the optical kick pulse KP Control the kick laser intensity unit to calibrate the polarization of the kick laser 6th to enable.

Insbesondere kann ein Testvolumen definiert werden, wobei das Testvolumen alle Spins des Spin-Systems bzw. Atome des Atomdampfes 2 umfasst, welche mit dem einen optischen Teststrahl TS durch Spin-Photon-Wechselwirkung bzw. Elektron-Photon-Wechselwirkung wechselwirken. Der Magnetfeldsensor 100 ist hierbei vorzugsweise ausgelegt, so dass eine Schnittmenge zwischen dem Polarisationsvolumen, dem Testvolumen und dem Chaosvolumen mindestens ein Element bzw. einen Spin bzw. ein Atom des Atomdampfes 2 umfasst. Insbesondere kann der Magnetfeldsensor 100 ausgebildet sein, den Strahlenverlauf des Teststrahls TS und/oder den Strahlenverlauf des Polarisationssignals PS und/oder den Strahlenverlauf des mindestens einen optischen Kickpulses KP derart zu kalibrieren, dass eine Schnittmenge zwischen dem Polarisationsvolumen, dem Testvolumen und dem Chaosvolumen mindestens ein Element bzw. einen Spin bzw. ein Atom des Atomdampfes 2 umfasst.In particular, a test volume can be defined, the test volume having all spins of the spin system or atoms of the atomic vapor 2 includes which with the one optical test beam TS interact by spin-photon interaction or electron-photon interaction. The magnetic field sensor 100 is preferably designed here so that an intersection between the polarization volume, the test volume and the chaos volume is at least one element or one spin or one atom of atomic vapor 2 includes. In particular, the magnetic field sensor 100 be designed, the beam path of the test beam TS and / or the beam path of the polarization signal PS and / or the beam path of the at least one optical kick pulse KP to be calibrated in such a way that an intersection between the polarization volume, the test volume and the chaos volume is at least one element or one spin or one atom of atomic vapor 2 includes.

Der mindestens eine Kicklaser 6 ist vorzugsweise konfiguriert, den optischen Kickpuls KP parallel zu dem optischen Teststrahl TS zu emittieren. Alternativ ist der mindestens eine Kicklaser 6 konfiguriert, so dass sich eine Wegstrecke des Teststrahls TS und eine Wegstrecke des mindestens einen optischen Kickpulses KP kreuzen. Hierbei sind der Teststrahl TS und/oder der mindestens eine optische Kickpuls KP vorzugsweise derart ausgerichtet, dass eine Wechselwirkung, insbesondere basierend auf dem Faraday-Effekt, zwischen dem Teststrahl TS und/oder dem mindestens einen optischen Kickpuls KP mit den Spins des Spin-Systems bzw. mit den Atomen des Atomdampfes 2 bewirkt wird bzw. auftritt. Vorzugsweise kann die Polarisation der Spins des Spin-Systems bzw. der Atome des Atomdampfes 2 vor der Messung bzw. dem Messvorgang eines Magnetfeldes B ausgerichtet werden, um eine solche Wechselwirkung zu gewährleisten.The at least one kick laser 6th is preferably configured to use the optical kick pulse KP parallel to the optical test beam TS to emit. Alternatively, there is at least one kick laser 6th configured so that a path of the test beam TS and a distance of the at least one optical kick pulse KP cross. Here are the test beam TS and / or the at least one optical kick pulse KP preferably aligned in such a way that an interaction, in particular based on the Faraday effect, between the test beam TS and / or the at least one optical kick pulse KP with the spins of the spin system or with the atoms of atomic vapor 2 is effected or occurs. The polarization of the spins of the spin system or of the atoms of the atomic vapor can preferably 2 before the measurement or the measuring process of a magnetic field B. aligned to ensure such interaction.

Vorzugsweise bildet eine Ausrichtungsrichtung bzw. Ausrichtung des Pumplasers 5 bzw. eine Ausrichtung des mindestens einen Polarisationssignals PS einen spitzen oder rechten Winkel mit dem externen Magnetfeld B bzw. mit dem zu messenden Magnetfeld B. Vorzugsweise bildet eine Polarisationsrichtung bzw. Ausrichtung des Kicklasers 6 bzw. eine Ausrichtung des mindestens einen optischen Kickpulses KP einen spitzen oder rechten Winkel mit dem externen Magnetfeld B bzw. mit dem zu messenden Magnetfeld B.Preferably forms an alignment direction or alignment of the pump laser 5 or an alignment of the at least one polarization signal PS an acute or right angle with the external magnetic field B. or with the magnetic field to be measured B. . Preferably forms a polarization direction or alignment of the kick laser 6th or an alignment of the at least one optical kick pulse KP an acute or right angle with the external magnetic field B. or with the magnetic field to be measured B. .

Insbesondere kann der Magnetfeldsensor 100 derart ausgelegt sein, dass der Kicklaser 6 bzw. die optische Manipulations-Einrichtung konfiguriert, den Teststrahl TS zu emittieren. Mit anderen Worten umfasst der Magnetfeldsensor 100 insbesondere keine separate optische Sonde 4, wobei stattdessen der Kicklaser 6 ausgelegt ist, den mindestens einen optischen Kick KP und den Teststrahl TS zu emittieren. Somit kann der Kicklaser 6 bzw. die optische Manipulations-Einrichtung die Rolle der optischen Sonde 4 übernehmen bzw. zusätzlich als optische Sonde 4 ausgebildet sein. Hierfür ist der Kicklaser 6 konfiguriert, Laserlicht mit regelbarer, variabler Intensität zu emittieren. Vorzugsweise kann der Kicklaser 6 hierbei ferner konfiguriert sein, mindestens einen ersten optischen Kickpuls KP und mindestens einen letzten optischen Kickpuls KP zu emittieren, wobei der optische Detektor 3 den letzten optischen Kickpuls KP zumindest teilweise misst, um ein externes Magnetfeld B zu messen.In particular, the magnetic field sensor 100 be designed so that the kick laser 6th or the optical manipulation device configured, the test beam TS to emit. In other words, the magnetic field sensor comprises 100 in particular, no separate optical probe 4th , with the kick laser instead 6th is designed to give at least one visual kick KP and the test beam TS to emit. Thus, the kick laser 6th or the optical manipulation device takes on the role of the optical probe 4th take over or additionally as an optical probe 4th be trained. The kick laser is for this 6th configured to emit laser light with controllable, variable intensity. The kick laser can preferably 6th in this case also be configured to have at least one first optical kick pulse KP and at least one last optical kick pulse KP to emit, the optical detector 3 the last optical kick pulse KP at least partially measures to an external magnetic field B. to eat.

Der Magnetfeldsensor 100 umfasst vorzugsweise mindestens eine Magnetfeldeinrichtung 7, welche ausgelegt ist, Magnetfeldpulse in der Messzelle 1 zu erzeugen. Hierfür kann die Magnetfeldeinrichtung 7 mindestens eine Magnetfeldspule umfassen, welche um die Messzelle 1 angeordnet ist. Insbesondere ist die Magnetfeldeinrichtung 7 ausgelegt, den Anfangszustand AZ des Spin-Systems bzw. die Spins des Spin-Systems zu drehen bzw. rotieren und/oder somit entlang einer gewünschten Richtung auszurichten. Insbesondere ist die Magnetfeldeinrichtung 7 ausgelegt, den durch die optische Manipulations-Einrichtung polarisierten Anfangszustand AZ des Spin-Systems bzw. die Spins des Spin-Systems zu drehen bzw. rotieren und/oder somit entlang einer gewünschten Richtung auszurichten. Insbesondere kann die Magnetfeldeinrichtung 7 ausgelegt sein, den Anfangszustand AZ des Spin-Systems bzw. die Spins des Spin-Systems zu drehen bzw. rotieren, so dass die Polarisationsrichtung des mindestens einen Polarisationssignals PS im Wesentlichen orthogonal zu der Emissionsrichtung des mindestens einen optischen Kickpulses KP ist.The magnetic field sensor 100 preferably comprises at least one magnetic field device 7th , which is designed to generate magnetic field pulses in the measuring cell 1 to create. The magnetic field device 7th comprise at least one magnetic field coil which surrounds the measuring cell 1 is arranged. In particular, the magnetic field device 7th designed the initial state AZ of the spin system or the spins of the spin system to rotate or rotate and / or thus to align along a desired direction. In particular, the magnetic field device 7th designed, the initial state polarized by the optical manipulation device AZ of the spin system or the spins of the spin system to rotate or rotate and / or thus to align along a desired direction. In particular, the magnetic field device 7th be designed the initial state AZ of the spin system or the spins of the spin system to rotate or rotate, so that the polarization direction of the at least one polarization signal PS essentially orthogonal to the emission direction of the at least one optical kick pulse KP is.

Der Magnetfeldsensor 100 kann vorzugsweise eine Heizeinrichtung 8 aufweisen, wobei die Heizeinrichtung 8 ausgelegt ist, die Messzelle 1 zu heizen und somit den Atomdampf 2 auf einer vorbestimmten Temperatur zu halten. Hierzu kann die Heizeinrichtung 8 mindestens ein Heizelement, beispielsweise Heizspulen und/oder Peltier-Elemente und/oder elektromagnetische Heizelemente, umfassen. Hierzu kann die Heizeinrichtung ferner ein mindestens ein Thermometer-Element und mindestens ein Temperaturregelelement umfassen. Das mindestens eine Thermometer-Element ist hierbei ausgelegt, eine Temperatur des Atomdampfes 2 oder eines Objektes, welches auf gekannte Weise thermisch mit dem Atomdampf 2 gekoppelt ist und aus dessen Temperatur die Temperatur des Atomdampfes 2 ermittelt werden kann, zu messen und somit die Temperatur des Atomdampfes 2 zu ermitteln. Die ermittelte Temperatur des Atomdampfes 2 kann an das mindestens eine Temperaturregelelement übermittelt werden, welches ausgelegt ist, basierend auf der ermittelten Temperatur des Atomdampfes 2 das mindestens eine Heizelement derart anzusteuern, dass die Temperatur des Atomdampfes 2 einem vorgegebenen Wert entspricht.The magnetic field sensor 100 can preferably be a heating device 8th have, wherein the heating device 8th is designed, the measuring cell 1 to heat and thus the atomic vapor 2 keep at a predetermined temperature. The heating device 8th comprise at least one heating element, for example heating coils and / or Peltier elements and / or electromagnetic heating elements. For this purpose, the heating device can furthermore comprise at least one thermometer element and at least one temperature control element. The at least one thermometer element is designed here to be a temperature of the atomic vapor 2 or an object, which in a known way thermally with the atomic vapor 2 is coupled and from its temperature the temperature of the atomic vapor 2 can be determined, measure and thus the temperature of the atomic vapor 2 to determine. The determined temperature of the atomic vapor 2 can be transmitted to the at least one temperature control element, which is designed based on the determined temperature of the atomic vapor 2 to control the at least one heating element in such a way that the temperature of the atomic vapor 2 corresponds to a predetermined value.

3 zeigt beispielhaft eine graphische Darstellung der Messgenauigkeit für verschiedene Magnetfeld-Messmethoden basierend auf Beispiel 1. Insbesondere ist hierbei der minimale Fehler bzw. die Messgenauigkeit (Standardabweichung) δB pro H z ,

Figure DE102018000118B4_0004
mit dem ein Magnetfeld pro 1 cm3 Volumen des Atomdampfes gemessen werden kann, (a) für eine Polarisationsmessung auf Basis von periodischen optischen Kickpulsen (Werte durch eine punktiert-gestrichelte Linie gekennzeichnet) und für (b) eine Magnetfeldmessung auf Basis einer Referenzmethode (Werte durch eine gestrichelte Linie gekennzeichnet) dargestellt und kontrastiert. Die X-Achse repräsentiert hierbei die Messzeit TMess , welche hierbei in diskreten Schritten angegeben ist, welche der Zahl der emittierten optischen Kickpulse der Länge τ entsprechen. 3 shows an example of a graphic representation of the measurement accuracy for various magnetic field measurement methods based on example 1. In particular, the minimum error or the measurement accuracy (standard deviation) is δB pro H z ,
Figure DE102018000118B4_0004
with which a magnetic field per 1 cm 3 volume of atomic vapor can be measured, (a) for a polarization measurement based on periodic optical kick pulses (values indicated by a dotted-dashed line) and for (b) a magnetic field measurement based on a reference method (values indicated by a dashed line) and contrasted. The X-axis represents the measurement time T Mess , which is specified in discrete steps which correspond to the number of emitted optical kick pulses of length τ.

Hierbei wurde die Messgenauigkeit ΔB auf Basis der Fisher-Information berechnet: Δ B = 1 N ' F i

Figure DE102018000118B4_0005
Hierbei ist N' die Anzahl der Atome des Atomdampfes, welche bei einer Dichte von 2*1010 Atomen/cm3 in 1 cm3 enthalten sind, N'= 2*1010 , und Ft=F/TMess die zeitskalierte Fisher-Information ist, wobei F die Fisher-Information und TMess eine Dauer der Messdynamik repräsentiert. Aus der Simulation ergeben sich die jeweiligen Minimalwerte für die Standardabweichung δB für (a) δBa = 3.68*10-18, (b) δBb=1.15*10-17. Die jeweiligen Minimalwerte sind in 3 durch horizontale bzw. der X-Achse parallele Balken gekennzeichnet. Für einen Vergleich der Fälle (a) und (b) ist der minimale Fehler um etwa 68% gegenüber der Referenzmethode reduziert.The measurement accuracy ΔB was calculated on the basis of Fisher information: Δ B. = 1 N ' F. i
Figure DE102018000118B4_0005
Here N 'is the number of atoms of atomic vapor which are contained in 1 cm 3 at a density of 2 * 10 10 atoms / cm 3 , N' = 2 * 10 10 , and F t = F / T Mess is the time-scaled Fisher -Information, where F represents Fisher information and T Mess a duration of the measurement dynamics. The respective minimum values for the standard deviation δB for (a) δB a = 3.68 * 10 -18 , (b) δB b = 1.15 * 10 -17 result from the simulation. The respective minimum values are in 3 marked by horizontal bars or bars parallel to the X-axis. To compare cases (a) and (b), the minimal error is reduced by around 68% compared to the reference method.

Der Begriff „im Wesentlichen“ ist im Sinne dieser Beschreibung als umfassend geringer herstellungs- und umweltbedingter Abweichungen zu verstehen.In the context of this description, the term “essentially” is to be understood as comprehensively minor manufacturing and environmental deviations.

Die Erfindung ist nicht auf die oben in der Beschreibung und in den Zeichnungen The invention is not limited to the above in the description and in the drawings

BezugszeichenlisteList of reference symbols

100100
MagnetfeldsensorMagnetic field sensor
11
MesszelleMeasuring cell
22
AtomdampfAtomic vapor
33
Optischer DetektorOptical detector
44th
Optische SondeOptical probe
55
PumplaserPump laser
66th
KicklaserKick laser
77th
MagnetfeldeinrichtungMagnetic field device
88th
HeizeinrichtungHeating device
99
SignalteilerSignal divider
10A10A
Erste PhotodiodeFirst photodiode
10B10B
Zweite PhotodiodeSecond photodiode
1111
AuswertungseinheitEvaluation unit
BB.
Externes bzw. zu messendes MagnetfeldExternal or magnetic field to be measured
PSPS
PolarisationssignalPolarization signal
KPKP
Optischer KickpulsOptical kick pulse
TSTS
Optischer TeststrahlOptical test beam
AZAZ
AnfangszustandInitial state
EZEZ
EndzustandFinal state
Rz(α)R z (α)
PräzessionPrecession

Claims (19)

Magnetfeldsensor (100) zur Messung eines Magnetfelds (B), umfassend: eine Messzelle (1), welche einen Atomdampf (2) umfasst, wobei der Atomdampf (2) ein Spin-System von Spins individueller Atome aufweist; eine optische Manipulations-Einrichtung, welche ausgelegt ist, durch Emission von Licht das Spin-System in einem Anfangszustand (AZ) zu polarisieren und während eines Messvorgangs des Magnetfelds (B) durch Emission von mindestens einem optischen Kickpuls (KP) einen Zustand des Spin-Systems zu ändern, wobei der mindestens eine optische Kickpuls (KP) eine chaotische Dynamik des Spin-Systems erzeugt; und eine Sensoreinrichtung, umfassend: - eine optische Sonde (4), welche ausgelegt ist, einen optischen Teststrahl (TS) durch den Atomdampf (2) zu emittieren, und - einen optischen Detektor (3), welcher ausgelegt ist, eine Transmission des optischen Teststrahls (TS) durch den Atomdampf (2) zu messen.Magnetic field sensor (100) for measuring a magnetic field (B), comprising: a measuring cell (1) which comprises an atomic vapor (2), the atomic vapor (2) having a spin system of spins of individual atoms; an optical manipulation device which is designed to polarize the spin system in an initial state (AZ) by emitting light and to establish a state of the spin during a measuring process of the magnetic field (B) by emitting at least one optical kick pulse (KP) Change system, wherein the at least one optical kick pulse (KP) generates chaotic dynamics of the spin system; and a sensor device comprising: - an optical probe (4) which is designed to emit an optical test beam (TS) through the atomic vapor (2), and - An optical detector (3) which is designed to measure a transmission of the optical test beam (TS) through the atomic vapor (2). Magnetfeldsensor (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der optische Detektor (3) ausgelegt ist, die Transmission des Teststrahls (TS) während der chaotischen Dynamik des Spin-Systems zu messen.Magnetic field sensor (100) according to one of the preceding claims, wherein the optical detector (3) is designed to measure the transmission of the test beam (TS) during the chaotic dynamics of the spin system. Magnetfeldsensor (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die optische Manipulations-Einrichtung mindestens einen Pumplaser (5) umfasst, welcher ausgelegt ist, durch Emission von Licht das Spin-System in einem Anfangszustand (AZ) zu polarisieren.Magnetic field sensor (100) according to one of the preceding claims, wherein the optical manipulation device comprises at least one pump laser (5) which is designed to polarize the spin system in an initial state (AZ) by emitting light. Magnetfeldsensor (100) nach Anspruch 3, wobei der mindestens eine Pumplaser (5) konfiguriert ist, zirkular polarisiertes Licht zu emittieren.Magnetic field sensor (100) Claim 3 wherein the at least one pump laser (5) is configured to emit circularly polarized light. Magnetfeldsensor (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die optische Manipulations-Einrichtung mindestens einen Kicklaser (6) umfasst, welcher ausgelegt ist, den mindestens einen optischen Kickpuls (KP) zu emittieren, oder wobei die optische Sonde (4) als mindestens ein Kicklaser (6) ausgebildet ist und zusätzlich ausgelegt ist, den mindestens einen optischen Kickpuls (KP) zu emittieren.Magnetic field sensor (100) according to one of the preceding claims, wherein the optical manipulation device comprises at least one kick laser (6) which is designed to emit the at least one optical kick pulse (KP), or the optical probe (4) as at least one Kick laser (6) is designed and is also designed to emit the at least one optical kick pulse (KP). Magnetfeldsensor (100) nach Anspruch 5, wobei der mindestens eine Kicklaser (6) konfiguriert ist, den optischen Kickpuls (KP) parallel zu dem optischen Teststrahl (TS) zu emittieren.Magnetic field sensor (100) Claim 5 , wherein the at least one kick laser (6) is configured to emit the optical kick pulse (KP) parallel to the optical test beam (TS). Magnetfeldsensor (100) nach Anspruch 5 oder 6, wobei der mindestens eine Kicklaser (6) konfiguriert ist, linear polarisiertes Licht zu emittieren.Magnetic field sensor (100) Claim 5 or 6th , wherein the at least one kick laser (6) is configured to emit linearly polarized light. Magnetfeldsensor (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Magnetfeldsensor (100) mindestens eine Magnetfeldeinrichtung (7) umfasst, welche ausgelegt ist, Magnetfeldpulse in der Messzelle (1) zu erzeugen.Magnetic field sensor (100) according to one of the preceding claims, wherein the magnetic field sensor (100) comprises at least one magnetic field device (7) which is designed to generate magnetic field pulses in the measuring cell (1). Magnetfeldsensor (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die optische Manipulations-Einrichtung ausgelegt ist, die chaotische Dynamik des Spin-Systems durch Emission von mindestens einem optischen Kickpuls zu erhalten, wobei die optische Manipulations-Einrichtung ausgelegt ist, den mindestens einen optischen Kickpuls in im Wesentlichen periodischen Zeitabständen zu emittieren.Magnetic field sensor (100) according to one of the preceding claims, wherein the optical manipulation device is designed to maintain the chaotic dynamics of the spin system by emitting at least one optical kick pulse, wherein the optical manipulation device is designed to receive the at least one optical kick pulse to emit at essentially periodic intervals. Magnetfeldsensor (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei eine Intensität des optischen Kickpulses (KP) eine Rechtecksfunktion oder eine Dreiecksfunktion und/oder eine nicht-lineare Funktion aufweist.Magnetic field sensor (100) according to one of the preceding claims, wherein an intensity of the optical kick pulse (KP) has a rectangular function or a triangular function and / or a non-linear function. Magnetfeldsensor (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der optische Detektor (3) ausgelegt ist, eine Intensität und/oder eine Polarisation der Transmission des Teststrahls (TS) zu messen.Magnetic field sensor (100) according to one of the preceding claims, wherein the optical detector (3) is designed to measure an intensity and / or a polarization of the transmission of the test beam (TS). Magnetfeldsensor (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Atomdampf (2) Alkali-Atome, bevorzugt 133Cs Atome, umfasst.Magnetic field sensor (100) according to one of the preceding claims, wherein the atomic vapor (2) comprises alkali atoms, preferably 133 Cs atoms. Magnetfeldsensor (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei I der Atomdampf (2) mindestens ein umfasst.Magnetic field sensor (100) according to one of the preceding claims, wherein I the atomic vapor (2) comprises at least one. Magnetfeldsensor (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Atomdampf (2) eine Dichte von mindestens etwa 104 Atomen/cm3, bevorzugt von mindestens etwa 109 Atomen/cm3, und/oder von maximal etwa 1015 Atomen/cm3, bevorzugt von maximal etwa 1011 Atomen/cm3 aufweist.Magnetic field sensor (100) according to one of the preceding claims, wherein the atomic vapor (2) has a density of at least about 10 4 atoms / cm 3 , preferably of at least about 10 9 atoms / cm 3 , and / or of a maximum of about 10 15 atoms / cm 3 , preferably of a maximum of about 10 11 atoms / cm 3 . Magnetfeldsensor (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Anfangszustand (AZ) ein hyperfeiner Grundzustand des Spin-Systems ist.Magnetic field sensor (100) according to one of the preceding claims, wherein the initial state (AZ) is a hyperfine ground state of the spin system. Magnetfeldsensor (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die optische Manipulations-Einrichtung ausgelegt ist, den Anfangszustand (AZ) durch ein zirkular polarisiertes Lichtfeld zu erzeugen.Magnetic field sensor (100) according to one of the preceding claims, wherein the optical manipulation device is designed to generate the initial state (AZ) by means of a circularly polarized light field. Verfahren zur Messung eines Magnetfelds (B), umfassend: Bereitstellen einer Messzelle (1), welche einen Atomdampf (2) umfasst, wobei der Atomdampf (2) ein Spin-System von Spins individueller Atome aufweist; Polarisieren des Spin-Systems in einem Anfangszustand (AZ) mittels einer optischen Manipulations-Einrichtung; Erzeugen einer chaotischen Dynamik des Spin-Systems durch ein Ausgeben von mindestens einem optischen Kickpuls (KP) von der Manipulations-Einrichtung auf das Spin-System; Erzeugen eines optischen Teststrahls (TS) von einer optischen Sonde (4) durch den Atomdampf (2); und Messen einer Transmission des optischen Teststrahls (TS) durch den Atomdampf (2) von einem optischen Detektor (3), welcher den optischen Teststrahl (TS) empfängt.A method for measuring a magnetic field (B), comprising: Providing a measuring cell (1) which comprises an atomic vapor (2), the atomic vapor (2) having a spin system of spins of individual atoms; Polarizing the spin system in an initial state (AZ) by means of an optical manipulation device; Generating chaotic dynamics of the spin system by outputting at least one optical kick pulse (KP) from the manipulation device to the spin system; Generating an optical test beam (TS) from an optical probe (4) through the atomic vapor (2); and Measuring a transmission of the optical test beam (TS) through the atomic vapor (2) from an optical detector (3) which receives the optical test beam (TS). Verfahren zur Messung eines Magnetfelds (B) nach Anspruch 17, ferner umfassend: Rotieren des Anfangszustands (AZ), nach dem Polarisieren des Spin-Systems und vor dem Erzeugen der chaotischen Dynamik, durch Erzeugen mindestens eines Magnetfeldpulses durch mindestens eine Magnetfeldeinrichtung (7).Procedure for measuring a magnetic field (B) according to Claim 17 , further comprising: rotating the initial state (AZ) after polarizing the spin system and before generating the chaotic dynamics by generating at least one magnetic field pulse by at least one magnetic field device (7). Verfahren zur Messung eines Magnetfelds (B) nach einem der Ansprüche 17 bis 18, ferner umfassend: Rotieren eines Zustands des Spin-Systems, nach dem Erzeugen des optischen Teststrahls (TS) und vor dem Messen der Transmission, durch Erzeugen mindestens eines Magnetfeldpulses durch mindestens eine Magnetfeldeinrichtung (7).Method for measuring a magnetic field (B) according to one of the Claims 17 to 18th , further comprising: rotating a state of the spin system, after generating the optical test beam (TS) and before measuring the transmission, by generating at least one magnetic field pulse by at least one magnetic field device (7).
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