无自旋交换弛豫（，SERF）是一种物理机制，指在高原子数密度和零磁場环境下，原子自旋交换碰撞频率远远大于拉莫尔进动频率，由于原子在各子能级的概率服从自旋温度分布，多次碰撞的平均宏观效果是原子总体的自旋方向一致，所以可降低甚至消除碱金属原子自旋交换弛豫，使原子自旋极化保持较长的相干时间。一般通过加热碱金属原子气室提高原子数密度，同时利用被动磁屏蔽和主动磁补偿等方式实现零磁场环境。
历史
1973年，Happer和Tang 首次通过实验发现SERF现象，随后Happer和Tam在 1977 年从理论上解释了SERF 态效应，但当时没有探索其在磁场测量中的应用。2002年，美国普林斯顿大学的迈克尔·V·罗马利斯首次将这一效应应用于原子磁力仪中，并且理论分析了SERF原子磁力仪灵敏度极限的量级。SERF这一名称部分是由于其与超导量子干涉仪（SQUID）探测器在海洋隐喻中的关系而产生的。
2003年，普林斯顿大学Romalis团队与华盛顿大学合作，提出了一种SERF原子磁力仪，磁场测量灵敏度可达 10fT/\sqrt{Hz}。2011年，美国威斯康星大学的科研团队开发出一种基于SERF原子磁力仪阵列的心磁图仪，有四个通道，测量灵敏度达到 6-11fT/\sqrt{Hz}。
原理
自旋交换碰撞保持碰撞原子对的总角动量，但可能扰乱原子的超精细态。处于不同超精细态的原子不能相干地進動，从而限制了原子的相干寿命。然而，如果自旋交换碰撞发生的速度远快于原子的进动频率，则由自旋交换碰撞引起的失相干几乎可以消除。在这一状态下，集合中的所有原子快速改变超精细态，在每个超精细态中花费相同的时间，使自旋集合进动得更慢但保持相干。这种状态，即SERF状态可以通过在足够高的碱金属密度和足够低的磁场中操作来达成。
: Q(I=3/2)=4\left( 2 - \frac{4}{3+P^2} \right)^{-1}
: Q(I=5/2)=6\left( 3 - \frac{48(1+P^2)}{19+26 P^2+3 P^4} \right)^{-1}
: Q(I=7/2)=8\left( \frac{4(1+7P^2+7P^4+P^6)}{11+35P^2+17P^4+P^6} \right)^{-1}
其中 P 是原子的平均极化。经历快速自旋交换的原子在未完全极化时进动得更慢，因为它们在不同的超精细态中花费一部分时间，以不同的频率或相反方向进动。
灵敏度
原子磁力仪的灵敏度\delta B受原子数量N及其自旋相干寿命 T_2 限制，可表示为：
: \delta B = \frac{1}{\gamma} \sqrt{\frac{2 R_{tot} Q}{F_z N} }
其中 \gamma 是原子的旋磁比，F_z是总原子自旋 F = I+S 的平均极化。
在没有自旋交换弛豫的情况下，各种其他弛豫机制导致原子自旋的失相干：其体积小巧，方便进行阵列布置，可以更靠近测量目标。或样品磁化测量（如岩石样品）。
参考文献
外部链接
- [http://physics.princeton.edu/atomic/romalis/magnetometer/ SERF磁力仪照片] ，普林斯顿大学罗马利斯小组
- [http://physics.princeton.edu/romalis/magnetometer/ 自旋交换弛豫抑制（SERF）磁力仪]
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