[논문 리뷰] Isotope-shift spectroscopy of the ${^1}S_0 ightarrow {^3}P_1$ and ${^1}S_0 ightarrow {^3}P_0$ transitions in strontium

Hirokazu Miyake, Neal C. Pisenti외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 15.

Advanced Frequency and Time Standards참고 문헌 40인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 $^{88}$Sr에 대한 상대적인 $^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_0$ 시계 전이에 대한 $^{84}$Sr와 $^{86}$Sr에서의 이sovotope 이동 측정을 최초로 보고하며, $^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_1$ 전이에 대한 종합적인 이sovotope 이동도 제공한다. 레이저 냉각된 스트론티움 원자를 광학적 드롭 트랩에 포획하고 고정밀 분광법을 사용하여, 선형성 가정을 도전하는 비선형 킹 플롯을 관측하였으며, 원자 구조 이론과 새로운 물리학 탐색을 위한 기준을 제공한다.

ABSTRACT

Isotope shift spectroscopy with narrow optical transitions provides a benchmark for atomic structure calculations and has also been proposed as a way to constrain theories predicting physics beyond the Standard Model. Here, we have measured frequency shifts of the ${^1}S_0 ightarrow {^3}P_1$ and ${^1}S_0 ightarrow {^3}P_0$ transitions between all stable isotopes of strontium relative to ${^{88}}$Sr. This includes the first reported measurements of the ${^1}S_0 ightarrow {^3}P_0$ isotope shift of ${^{88}}$Sr-${^{86}}$Sr and ${^{88}}$Sr-${^{84}}$Sr. Using the isotope shift measurements of the two transitions, a King plot analysis is performed. These results, combined with other recent isotope shift measurements in other atomic systems, will help refine atomic structure calculations and theoretical predictions for new physics.

연구 동기 및 목표

• 모든 안정된 스트론티움 이소토프에 대해 $^{88}$Sr에 대한 상대적인 $^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_1$ 및 $^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_0$ 전이의 이sovotope 이동을 측정하기 위해.
• 이 전이들에 대한 킹 플롯 분석을 수행하여 선형성 여부를 테스트하고 표준 원자 구조 모델에서의 이심 여부를 탐색하기 위해.
• 원자 구조 계산을 위한 고정밀 기준을 제공하고 표준모델을 초월한 물리학에 대한 제약 조건을 설정하기 위해.
• $^{84}$Sr와 $^{86}$Sr에서의 $^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_0$ 전이 이sovotope 이동을 측정하여 이전에 측정되지 않았던 영역을 보완하기 위해.
• 드롭 트랩 내에서 발생하는 AC 스타크 효과 및 열선 이동으로 인한 체계적 이동을 고려하고 보정하기 위해.

제안 방법

• 마이크로켈빈 온도에서 3차원 광학적 드롭 트랩에 포획된 레이저 냉각 $^{88}$Sr, $^{87}$Sr, $^{86}$Sr, $^{84}$Sr 원자를 사용하였다.
• 689 nm($^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_1$) 및 698 nm($^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_0$) 파장의 외부 캐비티 다이오드 레이저를 초저온 팽창(ULE) 캐비티 기준에 따라 파워드레버-드레버-홀드(POUND-DREVER-HALL) 잠금 방식으로 안정화하였다.
• 장기적인 레이저 드리프트를 보정하기 위해 주파수 커브를 사용하여 주파수 기준을 유지하였다.
• 분광 측정은 레이저 주파수를 스캔하고 흡수 영상으로 원자 손실를 모니터링함으로써 수행되었다.
• 열 분포와 비균일한 AC 스타크 이동을 포함한 전체 라인형태 모델을 사용하여 데이터를 피팅하였으며, 이로 인해 열선 이동 보정이 이루어졌다.
• 밀도, 반동, 트랩 유도 이동 등의 체계적 이동을 정량화하고 측정된 이sovotope 이동에서 제거하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모든 안정된 스트론티움 이소토프에서 $^{88}$Sr에 대한 상대적인 $^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_1$ 및 $^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_0$ 전이의 이sovotope 이동은 무엇인가?
• RQ2 이 두 전이에 기반한 킹 플롯은 표준 원자 모델에서 예상되는 바와 같이 선형성을 보일까?
• RQ3 드롭 트랩 내에서 열 효과와 AC 스타크 이동이 전이 주파수 측정에 얼마나 심각하게 왜곡을 유도하는가?
• RQ4 측정된 이sovotope 이동은 원자 구조 이론 및 표준모델을 초월한 새로운 물리학에 대한 이론 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 현재의 분광 기법을 사용하여 $^{84}$Sr와 $^{86}$Sr에서의 $^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_0$ 전이를 정확하게 측정할 수 있는가?

주요 결과

• 이 연구는 $^{88}$Sr–$^{86}$Sr 및 $^{88}$Sr–$^{84}$Sr 쌍에 대해 $^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_0$ 이sovotope 이동의 첫 번째 실험 측정을 보고한다.
• $^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_1$ 및 $^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_0$ 전이에 기반한 킹 플롯은 비선형 추세를 보이며, 기대되는 선형성에서의 이심을 나타낸다.
• 드롭 트랩 내의 열선 이동은 $-7.6 \pm 0.3$ kHz/$\mu$K로 정량화되었으며, 이로 인한 체계적 보정은 각각 $^{88}$Sr, $^{87}$Sr, $^{86}$Sr, $^{84}$Sr에 대해 $-22 \pm 4$ kHz, $-17 \pm 4$ kHz, $-8 \pm 4$ kHz, $-21 \pm 4$ kHz였다.
• $^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_1$ 전이의 측정된 이sovotope 이동은 모든 이소토프에서 일관되며, 불확도가 15 kHz 이하였다.
• 비선형 킹 플롯은 고차항 효과 또는 표준모델을 초월한 새로운 물리학을 제약하는 데 잠재적인 가능성을 시사한다.
• 열 및 AC 스타크 효과를 고려한 전체 라인형태 모델은 가우시안 모델보다 더 좋은 피팅을 제공하였으며, 중심 주파수는 가우시안 중심에서 최대 20 kHz 적색으로 이동하였다.