[論文レビュー] Paschen-Back effect and Rydberg-state diamagnetism in vapor-cell electromagnetically induced transparency

Lu Ma, David Anderson+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2017

Quantum optics and atomic interactions参考文献 23被引用数 25

ひとこと要約

本研究では、ルビジウム蒸気セルを用いて、0.7 Tの磁場下でRydberg電磁誘導透過（EIT）を実証した。この条件下では、基底状態、中間状態、Rydberg状態がすべてハイパーファインPaschen-Back状態にある。85Rbと87Rbの同素体特有の磁場シフトを活用することで、相対不確かさ±0.12%の磁場測定を達成した。一方、予期しない高いRydberg状態の位相崩壊率（約50 MHz）が観測され、これはイオン化効果に起因すると考察された。

ABSTRACT

We report on rubidium vapor-cell Rydberg electromagnetically induced transparency (EIT) in a 0.7~T magnetic field where all involved levels are in the hyperfine Paschen-Back regime, and the Rydberg state exhibits a strong diamagnetic interaction with the magnetic field. Signals from both $^{85}\mathrm{Rb}$ and $^{87}\mathrm{Rb}$ are present in the EIT spectra. This feature of isotope-mixed Rb cells allows us to measure the field strength to within a $\pm 0.12$\% relative uncertainty. The measured spectra are in excellent agreement with the results of a Monte Carlo calculation and indicate unexpectedly large Rydberg-level dephasing rates. Line shifts and broadenings due to small inhomogeneities of the magnetic field are included in the model.

研究の動機と目的

• すべての原子準位がハイパーファインPaschen-Back状態にある強磁場下におけるRydberg-EITの検討。
• 85Rbと87Rb同素体間の差異磁場シフトを活用した高精度な磁場測定。
• ダイアマグネティック相互作用の役割が磁場変動に対する感度をどのように向上させるかの解明。
• 蒸気セルEITにおいて予期しない高いRydberg状態の位相崩壊率の特定と定量的評価。

提案手法

• NdFeB永久磁石を用いて0.7 Tの磁場を生成し、有限要素解析を用いて磁場の不均一性をマップ。
• 二重チャネル光学系を採用：一方はRydberg-EITに、他方はプローブレーザーの安定化に使用する飽和分光法。
• 同素体混合ルビジウム蒸気を用い、85Rbと87RbのEITライン間の相対周波数間隔を測定することで磁場強度を決定。
• ゼーマン項およびダイアマグネティック項、磁場不均一性、ライン引き込み効果を含むモンテカルロシミュレーションを実施し、スペクトル線形のモデル化。
• 5S1/2 → 5P3/2遷移にロックされた周波数安定化EITプローブレーザーを用い、|33S1/2, mj=1/2⟩Rydberg状態にアクセス。
• 33 kHzでロックイン検出を用いてEIT透過度を測定し、ファブリ-ペロー共振器を用いてレーザー周波数スキャンを線形化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.7 Tの磁場下で、すべての準位がPaschen-Back状態にある蒸気セルにおけるRydberg-EITを信頼性を持って実装できるか？
• RQ2 85Rbと87Rb同素体間の差異磁場シフトは、どのように高精度な磁場測定を可能にするか？
• RQ3 実験で観測された予期しない高いRydberg状態の位相崩壊率の起源と大きさは何か？
• RQ4 磁場の不均一性およびライン引き込み効果が、この状態におけるEITスペクトルをどの程度歪めるか？
• RQ5 Rydberg状態の差異磁気モーメントに対するダイアマグネティック寄与を活用することで、高感度な磁場センシングが可能になるか？

主な発見

• 磁場強度は、同素体差分ラインシフトに基づき0.6960 Tと測定され、相対不確かさは±0.12%であった。
• 実験的EITスペクトルは、磁場不均一性およびライン引き込み効果を含むモンテカルロシミュレーションと良好に一致した。
• データに適合させるために、予想外に高いRydberg状態の位相崩壊率（2π × 50 MHz、不確かさ±10 MHz）を必要とした。これはイオン化に起因する顕著なデコherenceを示唆している。
• 差異磁気モーメントにおけるダイアマグネティック寄与は全量の約70%を占め、磁場変化に対する感度を向上させた。
• 磁場不均一性に起因するライン引き込みは約10 MHzであったが、磁場キャリブレーションに用いた周波数比には影響を及ぼさなかった。
• 本手法は、特に高い主量子数における強磁場の高精度な差分測定および絶対測定に有望である。