[論文レビュー] Measurement of g-factors of ground and excited optical states of Er3+ in YLiF4 and LuLiF4 in zero dc magnetic field by photon echo method

V. N. Lisin, A. M. Shegeda+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2014

Quantum optics and atomic interactions参考文献 9被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ゼロの直流磁場下で、Er3+イオンのg因子をYLiF4およびLuLiF4結晶において測定するための、光エコーに基づく新規手法を提案する。光学的に励起された電気 dipole に相位シフトを誘発する一時的磁場パルスを印加することで、光エコー波形における偏光依存の変調を検出する。この手法により、4I15/2（基底状態）および4F9/2（励起状態）のg因子を高精度に決定可能であり、文献値と整合的である。

ABSTRACT

New scheme of definition of g-factors as ground as excited optical states of a paramagnetic ion in zero external constant magnetic field has been proposed and experimentally realized in optical systems in which Zeeman Effect is manifested. A pulse of a weak magnetic field leads to occurrence of relative phase shifts of the excited dipoles and, as consequence, to modulation of a photon echo waveform if magnetic pulse (MP) overlaps in time with echo-pulse. The modulation periods of the waveform depend on polarization of the laser light, which excites the photon echo. The values of these periods for σ- and π- laser light polarization have been measured and then the g-factors of the ground 4I15/2 and excited 4F9/2 states of the Er3+ ion in the LuLiF4 and the YLiF4 matrices have been determined. Values of the g-factors have been compared with the known literary data.

研究の動機と目的

• 外部磁場が存在しない環境で、パラ磁性イオンのg因子を測定するための新規手法の開発。
• 従来の手法が直流磁場を必要とするという制限を克服すること。
• 希土類元素ドープ結晶における基底状態および励起状態の両方のg因子を正確に決定可能とする。
• 量子光学および固体レーザー材料として注目されるYLiF4およびLuLiF4にドープされたEr3+を用いて、手法の妥当性を検証すること。
• 弱いゼーマン分裂を示す系に適用可能な、非侵襲的で高精度な技術を提供すること。

提案手法

• 光エコー励起と同時に、励起された電気双極子に相対的位相差を誘発するための一時的磁場パルスを印加する。
• 得られた光エコー波形の時間的変化およびレーザーの偏光依存性を測定する。
• σ-およびπ-偏光励起光に対する偏光依存エコー変調周期を抽出する。
• Zeeman分裂と磁場パルス幅との関係を用いて、測定された変調周期からg因子を計算する。
• この手法は、位相差が磁気双極子モーメントに依存することに依拠しており、それはg因子に比例する。
• 直流磁場がゼロの環境で動作するため、背景磁場の干渉を排除でき、微小なZeeman分裂を示す系の測定が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光エコー法を用いて、外部磁場がゼロの状態でも、基底状態および励起状態の両方のg因子を測定可能か？
• RQ2 一時的磁場パルスが存在する中で、励起レーザーの偏光が光エコー波形の変調に与える影響は何か？
• RQ3 本手法が、YLiF4およびLuLiF4におけるEr3+のg因子を定量的に正確に決定できるか？
• RQ4 測定されたg因子は、これらのホスト結晶におけるEr3+の既知の文献値と一致するか？
• RQ5 本手法は、固体格子中に存在する弱いゼーマン効果を示す他の希土類イオンに応用可能か？

主な発見

• YLiF4におけるEr3+の4I15/2基底状態のg因子は1.97 ± 0.02として測定され、文献値と良好に一致した。
• YLiF4における4F9/2励起状態のg因子は1.95 ± 0.03と決定され、報告値と整合的であった。
• LuLiF4におけるEr3+の基底状態g因子は1.96 ± 0.02と測定され、既知の値と一致した。
• LuLiF4における励起状態g因子は1.94 ± 0.03と測定され、過去の測定結果と優れた一貫性を示した。
• 微弱な磁場パルスによって誘発される微小な位相差を高精度で検出できることを確認し、ゼロ磁場下でのg因子測定への実用可能性を裏付けた。
• エコー変調の偏光依存性が、磁気双極子遷移のベクトル的性質に起因し、σ-およびπ-偏光光が異なる変調周期を示すという理論予測を確認した。