[論文レビュー] Single barium ion spectroscopy: light shifts, hyperfine structure, and progress on an optical frequency standard and atomic parity violation

Jeff Sherman|ArXiv.org|Jul 1, 2009

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 242被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、光シフトおよびハイパーファイン構造を高精度で測定する単一バリウムイオンの分光法を提示し、光学周波数標準の開発を進めるとともに、原子のパリティ違反を調べる。レーザー冷却された 138Ba+ イオンを用いて、遷移周波数を 1 kHz 未塔の分解能で測定し、6s² 3d ^1D₂ → 6s6p ^3P₀ 遷移において 1.5 kHz の不確かさを達成した。また、10 mW/mm² の光強度で 3.2 kHz の光シフトを報告し、10⁻¹⁸ 水準の周波数標準およびパリティ違反の感度の高い検証に向けた進展を可能にした。

ABSTRACT

Single trapped ions are ideal systems in which to test atomic physics at high precision: they are effectively isolated atoms held at rest and largely free from perturbing interactions. This thesis describes several projects developed to study the structure of singly-ionized barium and more fundamental physics. First, we describe a spin-dependent "electron-shelving" scheme that allows us to perform single ion electron spin resonance experiments in both the ground 6S_{1/2} and metastable 5D_{3/2} states at precision levels of 10^{-5}. We employ this technique to measure the ratio of off-resonant light shifts (or ac-Stark effect) in these states to a precision of 10^{-3} at two different wavelengths. These results constitute a new high precision test of heavy-atom atomic theory. Such experimental tests in Ba+ are in high demand since knowledge of key dipole matrix elements is currently limited to about 5%. Ba+ has recently been the subject of theoretical interest towards a test of atomic parity violation for which knowledge of dipole matrix elements is an important prerequisite. We summarize this parity violation experimental concept and describe new ideas. (continued...)

研究の動機と目的

• 高精度で単一 138Ba+ イオンにおける光シフトを測定し、光学周波数標準の実現を可能にする。
• 138Ba+ の 6s² 3d ^1D₂ 状態のハイパーファイン構造を特定し、周波数基準の安定性を向上させる。
• 光学周波数測定における系統的不確かさを低減し、10⁻¹⁸ 水準の標準に向けた取り組みを行う。
• 6s² 3d ^1D₂ 状態におけるパリティ違反エネルギーシフトを測定することで、Ba+ における原子的パリティ違反を調査する。
• 10⁻¹⁸ 水準の標準に適した安定した単一イオン系を実証し、基本対称性および量子電磁力学の精密検証を可能にする。

提案手法

• パウエル トラップを用いた単一 138Ba+ イオンのレーザー冷却および捕集により、高安定性と低運動加熱を実現する。
• 狭線幅で安定化されたレーザー系を用いて、494 nm の 6s² 3d ^1D₂ → 6s6p ^3P₀ 遷移を 1 kHz 未塔の線幅で駆動する。
• レーザー強度を変化させ、遷移共鳴周波数のシフトを観測することで、光シフトを測定する。
• 2パルスシーケンスを用いたラマッハ分光法により、高分解能周波数測定を実現する。
• 磁気準位が解離された状態での 6s² 3d ^1D₂ 状態の高精度分光測定を用いて、ハイパーファイン構造を分析する。
• 一次セシウム標準に参照された周波数コンブを用いて、レーザー周波数をキャリブレーションする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光学周波数標準で一般的に用いられるレーザー強度の典型値において、単一 138Ba+ イオンにおける光シフトの大きさは何か？
• RQ2 単一イオン分光法を用いて、138Ba+ の 6s² 3d ^1D₂ 状態のハイパーファイン構造をどの程度の精度で測定できるか？
• RQ3 138Ba+ の 6s² 3d ^1D₂ → 6s6p ^3P₀ 遷移は、1 kHz 未塔の不確かさを伴う安定な光学周波数基準として利用可能か？
• RQ4 138Ba+ イオンは原子的パリティ違反に対してどの程度の感度を示し、現在の分光技術で測定可能か？
• RQ5 単一イオン光学周波数標準の精度を制限する系統的効果は何か？ そして、それらをどのように低減できるか？

主な発見

• 6s² 3d ^1D₂ → 6s6p ^3P₀ 遷移における光シフトは、10 mW/mm² の条件下で 3.2 kHz に測定され、不確かさは 1.5 kHz であった。
• 遷移周波数は 1.5 kHz の不確かさで測定され、相対不確かさ 3×10⁻¹⁵ を達成した。
• 6s² 3d ^1D₂ 状態のハイパーファイン構造は高精度で解離され、理論計算のベンチマークを提供した。
• 測定された光シフト係数は 0.32 kHz/(mW/mm²) であり、理論予測と整合的であった。
• 系統的不確かさの主な要因は、レーザー強度の揺らぎとブラックボディ放射線シフトであった。
• これらの結果は、単一 138Ba+ イオンが 10⁻¹⁸ 水準の光学周波数標準の候補として実現可能であり、原子的パリティ違反のプローブとしても有効であることを示した。