[논문 리뷰] 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. Shegeda외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 25.

Quantum optics and atomic interactions참고 문헌 9인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 외부 자기장이 없는 조건에서 YLiF4 및 LuLiF4 결정 내 Er3+ 이온의 g 인자 측정을 위한 새로운 광학 에코 기반 방법을 제안한다. 일시적인 자기장 펄스를 적용하여 광학적으로 자극된 극성 모멘트의 위상 이동을 유도함으로써, 광학 에코 파형의 편광에 의존하는 조절을 감지함으로써, 4I15/2(기본 상태) 및 4F9/2(-excited 상태) 상태의 g 인자를 정밀하게 결정할 수 있으며, 이는 문헌 값과 일치하는 결과를 보인다.

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.

연구 동기 및 목표

• 외부 자기장이 없는 조건에서 반자성 이온의 g 인자를 측정하기 위한 새로운 방법을 개발하기 위해.
• 기존의 방법이 요구하는 일정한 직류 자기장의 필요성을 제거하기 위해.
• 희토류 도핑 결정 내 기초 상태 및 옹진 상태의 g 인자를 정확하게 결정할 수 있도록 하기 위해.
• 양자 광학 및 고체 상태 레이저 분야에서 중요한 물질인 YLiF4 및 LuLiF4 내 Er3+를 대상으로 방법을 검증하기 위해.
• 약한 증발 스플릿팅을 보이는 시스템에 적용 가능한 비침습적 고정밀 기법을 제공하기 위해.

제안 방법

• 광학 에코 자극과 동시에 일시적인 자기장 펄스를 적용하여, 광학적으로 자극된 극성 모멘트 간의 상대 위상 이동을 유도한다.
• 유도된 광학 에코 파형의 조절을 시간과 레이저 편광도 함수로 측정한다.
• σ- 및 π-편광된 자극 빛에 대해 편광에 의존하는 에코 조절 주기를 추출한다.
• 측정된 조절 주기를 이용하여 Zeeman 분리와 자기장 펄스 지속 시간 간의 관계를 통해 g 인자를 계산한다.
• 이 기법은 위상 이동이 자기 분극 모멘트에 의존하며, 이는 g 인자에 비례한다는 사실에 기반한다.
• 이 기법은 직류 자기장이 없는 조건에서 작동하므로 배경 자기장 간섭을 제거하고, 작은 Zeeman 분리 스플릿팅을 보이는 시스템에서도 측정이 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학 에코 기법을 사용하여 외부 자기장이 없는 조건에서 기초 상태 및 옹진 상태의 g 인자를 측정할 수 있는가?
• RQ2 일시적인 자기장 펄스 존재 하에서 자극 레이저의 편광은 광학 에코 파형의 조절에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이러한 방법이 YLiF4 및 LuLiF4 내 Er3+의 g 인자를 정량적으로 얼마나 정확하게 측정할 수 있는가?
• RQ4 측정된 g 인자는 이러한 매트릭스 내 Er3+에 대한 기존 문헌 값과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 이 방법은 고체 기질 내에서 약한 Zeeman 효과를 보이는 다른 희토류 이온에 적용 가능한가?

주요 결과

• YLiF4 내 Er3+의 4I15/2 기초 상태의 g 인자는 1.97 ± 0.02로 측정되었으며, 문헌 값과 양호한 일치를 보였다.
• YLiF4 내 Er3+의 4F9/2 옹진 상태의 g 인자는 1.95 ± 0.03으로 결정되었으며, 보고된 데이터와 일치하였다.
• LuLiF4 내 Er3+의 기초 상태 g 인자는 1.96 ± 0.02로 측정되었으며, 알려진 값과 일치하였다.
• LuLiF4 내 옹진 상태의 g 인자는 1.94 ± 0.03로 측정되었으며, 이전 측정 결과와 뛰어난 일치를 보였다.
• 이 방법은 약한 자기장 펄스에 의해 유도된 미세한 위상 이동을 정밀하게 감지함으로써, 영자기장 조건에서의 g 인자 측정 가능성을 확인하였다.
• 에코 조절의 편광 의존성은 자기 분극 전이의 벡터 성격으로 인해 σ- 및 π-편광 빛이 서로 다른 조절 주기를 유도한다는 이론적 예측을 확인하였다.