[論文レビュー] Precision Measurement of the Excited State Landé g-factor and Diamagnetic Shift of the Cesium D$_{2}$ Line

Hans Stærkind, Kasper Jensen+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2022

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 50被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、3 Tおよび7 Tの磁場下で飽和吸収分光法を用いてセシウムD2線の励起状態Landé g因子およびダイアマグネティックシフトを精密測定した。極端なゼーマン状態をプローブすることで、光学的磁場測定精度が1 ppmに達し、gJ(62P3/2) = 1.33408749(52)が得られ、前回の測定と比較して2桁以上も精度が向上した。また、初めてとしての二次ダイアマグネティックシフトγ2 = 0.4644(35) MHz/T²を報告した。

ABSTRACT

We have performed saturated absorption spectroscopy on the cesium D$_{2}$ line in 3 T and 7 T magnetic fields. By means of sideband spectroscopy on the extreme angular momentum states we have measured the linear magnetic frequency shift of the transition to be $γ_1 = 13.994\:301(11)$ GHz/T. This corresponds to an optical magnetic field measurement of better than 1 ppm accuracy. From this value we can calculate the fine structure Landé g-factor $g_J\left(6^2P_{3/2} ight) = 1.334\:087\:49(52)$. This is consistent with the previous best measurement, and improves the accuracy by more than two orders of magnitude. We have also measured, for the first time ever, the quadratic diamagnetic shift as $γ_2 = 0.4644(35)\:\mathrm{MHz/T^2}$. Our work opens up the field of accurate high field optical magnetometry using atomic cesium. These high accuracy measurements also allow for testing of advanced atomic structure models, as our results are incompatible with the Russel-Saunders coupling value, and the hydrogen-constant-core-model value, by 31 and 7 standard deviations respectively.

研究の動機と目的

• セシウムD2線の励起状態Landé g因子の測定精度を、これまでの測定をはるかに上回る精度に向上させること。
• セシウムD2線の二次ダイアマグネティックシフトを初めて測定すること。
• セシウム原子を用いて高磁場下で高精度の光学的磁気計測を実現すること。
• 実験結果と理論的予測を比較することで、高度な原子構造モデルを検証すること。

提案手法

• MRIスキャナを用いて安定かつ均一な磁場を発生させ、3 Tおよび7 Tの磁場下でセシウムD2線の飽和吸収分光法を実施した。
• 極端な角運動量状態（|F, mF⟩ = |5, ±5⟩）を用いたサイドバンド分光法により、線形ゼーマンシフトを解離した。
• 線形磁場周波数シフトγ1 = 13.994301(11) GHz/Tを測定し、光学的磁場感度を特定した。
• 測定されたγ1を用いて関係式γ1 = gJ μB B / hに従い、微細構造Landé g因子gJ(62P3/2)を計算した。
• 観測された遷移周波数シフトを二次関数モデルにフィッティングすることで、二次ダイアマグネティックシフトγ2 = 0.4644(35) MHz/T²を決定した。
• 水中のプロトンにおけるNMR分光法を用いて磁場校正を検証し、高精度な磁場決定を確保した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 セシウム62P3/2状態の励起状態Landé g因子の正確な値は何か？
• RQ2 高磁場下におけるセシウムD2線の二次ダイアマグネティックシフトの大きさは何か？
• RQ3 測定されたg因子は、Russell-Saunders結合と水素定数コアモデルに基づく理論予測とどのように異なるか？
• RQ4 測定されたデータは、標準的な結合スキームを越えた高度な原子構造モデルの検証に使用可能か？
• RQ5 高精度測定が、テスラ領域における改善された光学的磁気計測にどの程度寄与するか？

主な発見

• セシウムD2線の励起状態Landé g因子は、gJ(62P3/2) = 1.33408749(52)と測定され、前回の測定と比較して2桁以上も精度が向上した。
• 線形磁場周波数シフトはγ1 = 13.994301(11) GHz/Tと測定され、1 ppm未満の精度で光学的磁場測定が可能になった。
• 二次ダイアマグネティックシフトは、初めてとしてγ2 = 0.4644(35) MHz/T²と測定された。
• 測定されたg因子は、Russell-Saunders結合の値から31標準偏差、水素定数コアモデルの値から7標準偏差のずれを示しており、単純な結合モデルからの著しい逸脱を示している。
• これらの結果は、高度な原子構造計算のベンチマークとしての役割を果たし、高磁場下での高精度光学磁気計測を可能にした。
• 本研究は、RF励起を必要とせず、連続的かつ完全に光学的な方法で高磁場磁気計測を実現できる可能性を示した。