[論文レビュー] Lifetime of the $^2F_{7/2}$ level in Yb$^+$ for spontaneous emission of electric octupole radiation

R. Lange, A. A. Peshkov+4 more|PubMed|Jul 23, 2021

Atomic and Molecular Physics参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、$^{171}$Yb$^+$における$^2F_{7/2}$準安定状態の放射線寿命を精密に測定した。この状態は電気八極遷移（E3）を経て崩壊する。共鳴レーザーで遷移を強制的に駆動し、同時にラビ周波数と2次スターブシフトを測定することで、遷移行列要素を抽出し、寿命を$4.98(25)\times10^7$ s（1.58(8)年）と特定した。これは、従来の推定値と比較して不確実性を1桁小さくした。

ABSTRACT

We report a measurement of the radiative lifetime of the ^{2}F_{7/2} level of ^{171}Yb^{+} that is coupled to the ^{2}S_{1/2} ground state via an electric octupole transition. The radiative lifetime is determined to be 4.98(25)×10^{7} s, corresponding to 1.58(8) yr. The result reduces the relative uncertainty in this exceptionally long excited state lifetime by 1 order of magnitude with respect to previous experimental estimates. Our method is based on the coherent excitation of the corresponding transition and avoids limitations through competing decay processes. The explicit dependence on the laser intensity is eliminated by simultaneously measuring the resonant Rabi frequency and the induced quadratic Stark shift. Combining the result with information on the dynamic differential polarizability permits a calculation of the transition matrix element to infer the radiative lifetime.

研究の動機と目的

• 電気八極（E3）遷移を経て非常に長い自然寿命を示す$^2F_{7/2}$状態の$^{171}$Yb$^+$における放射線寿命を高精度で決定すること。
• 寿命が1秒を超える長寿命状態では、衝突や非共鳴光など、他の過程が支配的になるため、直接的な崩壊測定が困難であるという課題を克服すること。
• レーザー強度に依存しない方法を開発・適用し、同時に共鳴ラビ周波数と2次スターブシフトを測定することで、遷移行列要素を正確に抽出すること。
• 原子構造計算の基準を提供するとともに、基本対称性の高精度テストおよび光学時計開発を支援すること。
• $^{173}$Yb$^+$におけるハイパーファインクエンチング効果の未来の研究を可能にするために、E3遷移の摂動のない寿命を基準として確立すること。

提案手法

• 実験では、$^{171}$Yb$^+$イオン1個を捕獲し、共鳴レーザーで$^2S_{1/2}$基底状態と$^2F_{7/2}$励起状態の間でラビ振動を誘発する。
• ラビ周波数$\Omega$は、2つの準位間の励起状態の人口の振動から測定され、遷移行列要素の直接的な測定となる。
• 同時に、レーザー強度の関数として2次スターブシフト$\Delta\nu_{\text{QS}}$を測定することで、$E_0$に依存する系誤差を排除する。
• 相対的励起強度$\xi = \Omega^2 / \Delta\nu_{\text{QS}}$を用い、関係式$|V_{eg}| = \frac{1}{2\pi} \sqrt{h \xi \Delta\alpha_{eg}(\nu_0)/2}$により行列要素$|V_{eg}|$を抽出する。ここで$\Delta\alpha_{eg}$は遷移周波数における微分屈折率差である。
• 得られた行列要素と既知の原子パラメータ（精细構造定数、角運動量結合など）を用いて、フェルミの黄金律から自然寿命$\tau$を計算する。
• 理論的モデルに依存しない方法であり、レーザー強度の変動に対しても頑健であるため、極めて禁制な遷移に適している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電気八極（E3）遷移を経て崩壊する$^{171}$Yb$^+$における$^2F_{7/2}$状態の正確な放射線寿命は何か？
• RQ2 理論的モデルに依存せず、高精度で高禁制E3遷移の遷移行列要素を抽出することは可能か？
• RQ3 長寿命準安定状態の寿命測定において、競合する崩壊過程やレーザー強度の揺らぎをどのように低減できるか？
• RQ4 ハイパーファイン相互作用は、$^{173}$Yb$^+$におけるE3崩壊寿命にどのような影響を及ぼすか？また、$^{171}$Yb$^+$で測定された寿命は、その基準としてどのように機能するか？
• RQ5 この手法は、高電荷イオンやアルカリ土族元素イオンなど、長寿命状態を有する他の系へどのように一般化できるか？

主な発見

• $^{171}$Yb$^+$における$^2F_{7/2}$状態の放射線寿命は、$4.98(25)\times10^7$ s（1.58(8)年）と測定され、相対不確実性は5%であった。
• この結果は、従来のレーザー励起イベントのレート方程式解析に基づく推定値と比較して、寿命の相対不確実性を1桁小さくした。
• これは、電気八極（E3）遷移の放射線寿命を正確に測定した初の例であり、これまでに実験的に測定された電子状態の自然寿命の中で最も長い。
• この手法は、レーザー強度の揺らぎに強く、同時にラビ周波数とスターブシフトを測定することで、理論的入力を必要とせず、遷移行列要素を高精度で抽出できる。
• 測定された寿命は、原子構造計算の基準となり、$^{173}$Yb$^+$におけるハイパーファインクエンチング効果の研究の基準としても機能する。ここで、核電気四極モーメントの結合により寿命が著しく短くなると予想される。
• この手法は、$^{175}$Lu$^+$、Pb$^{2+}$、アルカリ土族元素イオン、高電荷イオンなど、長寿命準安定状態を有する他の系へ一般化可能であり、将来的な光学時計開発および基本対称性のテストを支援する。