[论文解读] 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. Pisenti+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2019

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 40被引用 7

一句话总结

本研究首次报告了相对于$^{88}$Sr的$^{84}$Sr和$^{86}$Sr中$^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_0$钟跃迁的同位素位移测量，以及$^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_1$跃迁的全面同位素位移数据。利用激光冷却的锶原子在光镊中进行高精度光谱测量，观测到非线性的金氏图（King plot），挑战了线性假设，并为原子结构理论和新物理搜索提供了基准。

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.

研究动机与目标

• 测量所有稳定锶同位素相对于$^{88}$Sr的$^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_1$和$^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_0$跃迁的同位素位移。
• 对这些跃迁进行金氏图分析，以检验线性关系，并探测标准原子结构模型的偏离。
• 为原子结构计算提供高精度基准，并对标准模型之外的物理提供约束。
• 测量此前未测量的$^{84}$Sr和$^{86}$Sr中$^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_0$跃迁的同位素位移。
• 考虑并校正光镊中由交流斯塔克效应和热致线型位移引起的系统性频移。

提出的方法

• 在微开尔文温度下，将激光冷却的$^{88}$Sr、$^{87}$Sr、$^{86}$Sr和$^{84}$Sr原子捕获于三维光镊中。
• 使用外腔二极管激光器，波长分别为689 nm（$^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_1$）和698 nm（$^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_0$），通过 Pound-Drever-Hall 锁定技术稳定于超低热膨胀（ULE）腔参考。
• 通过飞秒频率梳维持频率参考，以校正长期激光频漂。
• 通过扫描激光频率并监测吸收成像中的原子损失来执行光谱测量。
• 采用包含热分布和非均匀交流斯塔克位移的完整线型模型拟合数据，以校正热致线型位移。
• 量化并从测得的同位素位移中减去由密度、反冲和陷阱诱导位移引起的系统性频移。

实验结果

研究问题

• RQ1 所有稳定锶同位素相对于$^{88}$Sr的$^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_1$和$^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_0$跃迁的同位素位移是多少？
• RQ2 由这两个跃迁构建的金氏图是否如标准原子模型所预期的那样呈现线性？
• RQ3 热效应和交流斯塔克位移在光镊中在多大程度上扭曲了测量的跃迁频率？
• RQ4 测得的同位素位移与原子结构理论及标准模型之外的新物理预测相比如何？
• RQ5 当前光谱技术能否准确探测$^{84}$Sr和$^{86}$Sr中$^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_0$跃迁？

主要发现

• 本工作首次实验测得$^{88}$Sr–$^{86}$Sr和$^{88}$Sr–$^{84}$Sr对的$^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_0$同位素位移。
• 由$^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_1$和$^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_0$跃迁构建的金氏图显示出非线性趋势，表明与预期线性关系存在偏离。
• 光镊中的热致线型位移被量化为$-7.6 \pm 0.3$ kHz/$\mu$K，导致对$^{88}$Sr、$^{87}$Sr、$^{86}$Sr和$^{84}$Sr的系统性校正分别为$-22 \pm 4$ kHz、$-17 \pm 4$ kHz、$-8 \pm 4$ kHz和$-21 \pm 4$ kHz。
• 对$^{1}S_0 \rightarrow {}^{3}P_1$跃迁测得的同位素位移在各同位素间一致，不确定度低于15 kHz。
• 非线性金氏图提示可能存在对高阶效应或标准模型之外新物理的约束。
• 考虑热效应和交流斯塔克效应的完整线型模型比高斯模型提供更优拟合，其线型中心最大红移达20 kHz。