[论文解读] Lifetime of the $^2F_{7/2}$ level in Yb$^+$ for spontaneous emission of electric octupole radiation

R. Lange, A. A. Peshkov+4 more|PubMed|Jul 23, 2021

Atomic and Molecular Physics参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文首次精确测量了 $^{171}$Yb$^+$ 中 $^2F_{7/2}$ 亚稳态的辐射寿命，该态通过电八极（E3）跃迁衰减。通过相干驱动跃迁并同时测量拉比频率与二次斯塔克频移，作者提取了跃迁矩阵元，并将寿命确定为 $4.98(25)\times10^7$ 秒（1.58(8)年），相比先前估计的不确定性降低了整整一个数量级。

ABSTRACT

We report a measurement of the radiative lifetime of the ^{2}F_{7/2} level of ^{171}Yb^{+} that is coupled to the ^{2}S_{1/2} ground state via an electric octupole transition. The radiative lifetime is determined to be 4.98(25)×10^{7} s, corresponding to 1.58(8) yr. The result reduces the relative uncertainty in this exceptionally long excited state lifetime by 1 order of magnitude with respect to previous experimental estimates. Our method is based on the coherent excitation of the corresponding transition and avoids limitations through competing decay processes. The explicit dependence on the laser intensity is eliminated by simultaneously measuring the resonant Rabi frequency and the induced quadratic Stark shift. Combining the result with information on the dynamic differential polarizability permits a calculation of the transition matrix element to infer the radiative lifetime.

研究动机与目标

• 以高精度测定 $^{171}$Yb$^+$ 中 $^2F_{7/2}$ 态的辐射寿命，因其通过电八极（E3）跃迁衰减，具有极长的自然寿命。
• 克服长寿命态直接衰变测量中的挑战，这些挑战主要受碰撞和非共振光等竞争过程的影响，尤其当寿命超过秒级时。
• 开发并应用一种方法，通过同时测量共振拉比频率与二次斯塔克频移，消除对激光强度的依赖，从而精确提取跃迁矩阵元。
• 为原子结构计算提供基准，并支持高精度检验基本对称性与光学钟的发展。
• 通过建立未受扰动的 E3 衰变寿命参考值，为未来研究其他镱同素体（特别是 $^{173}$Yb$^+$）中的超精细抑制效应奠定基础。

提出的方法

• 实验使用单个被捕获的 $^{171}$Yb$^+$ 离子，通过共振激光相干驱动，实现 $^2S_{1/2}$ 基态与 $^2F_{7/2}$ 激发态之间的拉比振荡。
• 从两能级间布居数的振荡中测量拉比频率 $\Omega$，从而直接获得跃迁矩阵元的度量。
• 同时，测量二次斯塔克频移 $\Delta\nu_{\text{QS}}$ 随激光强度的变化，以消除对 $E_0$ 的系统依赖。
• 利用相对激发强度 $\xi = \Omega^2 / \Delta\nu_{\text{QS}}$，通过关系式 $|V_{eg}| = \frac{1}{2\pi} \sqrt{h \xi \Delta\alpha_{eg}(\nu_0)/2}$ 提取矩阵元 $|V_{eg}|$，其中 $\Delta\alpha_{eg}$ 为跃迁频率处的差分极化率。
• 随后，利用推导出的矩阵元和已知的原子参数（包括精细结构常数与角动量耦合），通过费米黄金法则计算自然寿命 $\tau$。
• 该方法避免了对矩阵元的理论建模，对激光强度波动具有鲁棒性，适用于高度禁戒跃迁。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $^{171}$Yb$^+$ 中，通过电八极（E3）跃迁衰减的 $^2F_{7/2}$ 态的精确辐射寿命是多少？
• RQ2 是否可以不依赖理论模型，高精度提取高度禁戒的 E3 跃迁的跃迁矩阵元？
• RQ3 在长寿命亚稳态的寿命测量中，如何抑制竞争衰变过程与激光强度波动的影响？
• RQ4 超精细相互作用对 $^{173}$Yb$^+$ 中 E3 衰变寿命有何影响？$^{171}$Yb$^+$ 中测得的寿命在其中起到何种参考作用？
• RQ5 该方法在多大程度上可推广至其他具有长寿命态的体系，如高电荷离子或碱土金属离子？

主要发现

• 测得 $^{171}$Yb$^+$ 中 $^2F_{7/2}$ 态的辐射寿命为 $4.98(25)\times10^7$ 秒，即 1.58(8) 年，相对不确定度为 5%。
• 与以往基于激光激发事件速率方程分析的实验估计相比，该结果将寿命的相对不确定度降低了整整一个数量级。
• 这是首次对电八极（E3）辐射寿命的精确测定，也是迄今为止实验测得的最长电子态自然寿命。
• 该方法对激光强度波动具有免疫性，且依赖于拉比与斯塔克频移的同时测量，可在无需理论输入的情况下实现对跃迁矩阵元的高精度提取。
• 测得的寿命为原子结构计算提供了基准，并为研究 $^{173}$Yb$^+$ 中因核电四极耦合导致寿命显著缩短的超精细抑制效应提供了参考。
• 该方法可推广至其他具有长寿命亚稳态的体系，如 $^{175}$Lu$^+$、Pb$^{2+}$、碱土金属离子及高电荷离子，支持未来光学钟的发展与基本对称性的检验。