这是一篇关于原始研究的学术报告，以下是为中文受众撰写的详细内容：

研究基本信息

本文档是发表在《Physical Review A》期刊41卷第11期（1990年6月1日）的研究论文，题为“Determination of Spin-Exchange Parameters between Optically Pumped Rubidium and Kr”，由S.R. Schaefer、G.D. Cates和W. Happer完成，作者隶属Princeton University物理系（Department of Physics, Princeton University, Princeton, New Jersey, USA）。

研究的学术背景

这项研究涉及原子物理和核物理领域，具体而言是关于通过光抽运碱金属蒸气（如铷，Rubidium）与惰性气体原子（如氪，Krypton）之间的自旋交换过程来极化惰性气体核。惰性气体核自旋的极化近年来在实验物理中因其简单性以及可获得的长自旋弛豫时间而受到越来越多的关注。相关技术在以下诸多领域具有显著应用：

1. 原子物理中的应用：通过对碱金属和惰性气体系统的自旋交换研究用于探究四极矩-壁相互作用（quadrupolar-wall interactions）、局域洛伦兹不变性（local Lorentz invariance）的检验以及对原子中永久电偶极矩（permanent electric-dipole moments）的寻找。
2. 核物理中的应用：测量各种放射性惰性气体同位素的磁矩，制造极化靶。
3. 新兴技术的开发：例如利用极化的氦气样品作为“自旋过滤器”来极化中子，研究违反宇称对称的中子吸收共振等；最近还提议在极化的惰性气体中阻止非极化的负μ子，尝试生成极化的μ原子。

然而，尽管这项技术显得十分重要，目前关于自旋交换过程的很多细节尚待深入理解。该研究旨在通过一种全新的方法——基于核磁共振（NMR）及电子顺磁共振（EPR）频移的测量法来确定Rubidium（Rb）和Krypton（Kr）系统的自旋交换参数。

研究的实验流程

（1）研究的总体方法与技术原理

以往的研究主要依赖于碱金属原子或惰性气体原子自旋弛豫率的测量。此研究采用的方法是基于核磁共振（NMR）和电子顺磁共振（EPR）频率偏移同时测量，通过观察：

• 极化的惰性气体核对碱金属原子EPR频率的偏移。
• 极化的碱金属原子外层电子对NMR频率的偏移。

这一方法的优势在于：频率的测量具有极高的精确性，能够避免对碱金属原子密度等重要特性的依赖。此外，墙面效应对频移的影响被大幅抑制，从而解决了传统方法在高温压力下遭受的复杂干扰问题。

（2）实验样品与设备的配置

研究中主要以密封的Pyrex玻璃样品池作为实验容器。每个样品池包含：

• 异构体富集率为70%的Krypton（Kr）。
• 含有自然Rubidium（Rb）。
• 氮气（N₂）作为第三体分子。

在实验中，样品池被加热至约90℃以生成约3×10⁹ cm⁻³的Rubidium密度，静态磁场由电磁线圈提供，磁场稳定性通过磁场锁定系统实现。

（3）实验过程分为三阶段

第一阶段：预极化阶段
通过对样品施加一个强的非均匀震荡磁场，确保Krypton原子在开始实验前完全没有极化。

第二阶段：光抽运极化阶段
使用圆偏振794.8纳米光（由连续波染料激光器产生），完成对Rubidium气体的光抽运极化。Rubidium的电子自旋极化通过与Krypton原子之间的自旋交换过程转移到氪原子核。

第三阶段：测量阶段
在光抽运后，通过对Rubidium和Krypton的EPR及NMR频率偏移的测量来记录最终的极化状态。针对NMR频移测量，研究人员施加一个接近Krypton拉莫频率的震荡磁场，抑制氪的极化，从而得到Zeeman分裂的NMR特征。

（4）实验的理论框架

研究中应用了一个描述Rubidium-Krypton系统自旋相互作用的简化自旋Hamiltonian，主要包括：

• 碱金属电子自旋与其核自旋间的超精细相互作用（hyperfine interaction）。
• 自旋-转动相互作用（spin-rotation interaction）。
• 碱金属电子自旋与Krypton核自旋间的费米接触相互作用（Fermi contact interaction）。

实验还进一步区分了两种自旋交换机制的贡献：
1. 松弛Van der Waals分子中的交换。
2. 二元碰撞中的交换。

研究的主要实验结果

在试验的四个样本池中，不同的Krypton和氮气压力组合用于研究高压和低压条件下各自机制的相对比例。实验数据结果表明：

• Van der Waals分子主导了低压条件下的自旋交换，而二元碰撞是高压条件下的主要机制。
• 通过测量得到的频移比率与自旋弛豫率，可以计算出Kr与Rb系统中特定的物理参数，包括二元碰撞自旋交换截面(velocity-averaged binary spin-exchange cross-section)、分子旋转频率和自旋弛豫常数。

研究结论与意义

研究首次全面测定了Rb-Kr系统中的关键自旋交换参数，显著深化了人们对碱金属-惰性气体体系的理解。这些参数已使Rb-Kr成为所有碱金属与惰性气体中描述自旋相互作用最完整的组合之一，具有以下科学和应用价值：

1. 科学意义：填补了高压条件下自旋交换物理机制研究中的知识空白，结合以往测量从理论上验证了关键自旋常量的依赖关系及普适性。
2. 应用价值：研究方法和得到的参数为高效极化惰性气体样本提供了理论基础，可直接服务于新兴科技领域，例如极化中子研究和粒子靶标制作。

研究亮点

1. 提出的新方法基于频移测量，优于传统方法，且对温度依赖因素较为鲁棒。
2. 通过多样品、多参数组合实现了一种独特的实验设计，使得参数拟合更加准确。
3. 此研究不仅解释了Van der Waals分子及二元碰撞过程在自旋交换中的分工，还首次细化了分子特性与解离速率的详细关联。

其他重要内容

研究还特别提及结果与之前理论预估的量化偏差，比较了实验结果与Walker对某些理论参数值的计算，二者一致性较高。此外，该研究的方法论为以后的碱金属-惰性气体系统其他实验提供了范式。