[论文解读] Measurements of the Ground-State Polarizabilities of Cs, Rb, and K using Atom Interferometry

Maxwell D. Gregoire, Ivan Hromada+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2015

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 3

一句话总结

本论文利用具有电场梯度相位调制的三纳米光栅马赫-曾德尔原子干涉仪，对铯、铷和钾的基态静态电偶极极化率进行了高精度测量。单个原子的测量不确定度为0.16%，比值的不确定度为0.08%，为原子结构计算提供了基准测试，并改进了对铯中宇称不守恒相互作用的约束。

ABSTRACT

We measured the ground-state static electric-dipole polarizabilities of Cs, Rb, and K atoms using a three-nanograting Mach-Zehnder atom beam interferometer. Our measurements provide benchmark tests for atomic structure calculations and thus test the underlying theory used to interpret atomic parity non-conservation experiments. We measured $α_{\mathrm{Cs}} = 4πε_0 imes 59.45(11) Å^3$, $α_{\mathrm{Rb}} = 4πε_0 imes 47.44(9) Å^3$, and $α_{\mathrm{K}} = 4πε_0 imes 42.97(8) Å^3$. In atomic units, these measurements are $α_{\mathrm{Cs}} = 401.2(7)$, $α_{\mathrm{Rb}} = 320.1(6)$, and $α_{\mathrm{K}} = 290.0(5)$. We report ratios of polarizabilities $α_{\mathrm{Cs}}/α_{\mathrm{Rb}} = 1.2532(10)$, $α_{\mathrm{Cs}}/α_{\mathrm{K}} = 1.3835(9)$, and $α_{\mathrm{Rb}}/α_{\mathrm{K}} = 1.1040(9)$ with smaller fractional uncertainty because the systematic errors for individual measurements are largely correlated. Since Cs atom beams have short de Broglie wavelengths, we developed measurement methods that do not require resolved atom diffraction. Specifically, we used phase choppers to measure atomic beam velocity distributions, and we used electric field gradients to give the atom interference pattern a phase shift that depends on atomic polarizability.

研究动机与目标

• 为铯、铷和钾原子的基态静态电偶极极化率提供基准测量，以检验从头算原子结构计算。
• 通过利用不同碱金属原子测量中相关联的系统误差，降低极化率比值的不确定度。
• 通过检验铯原子宇称不守恒（PNC）关键矩阵元，为超越标准模型的物理提供改进的约束。
• 从测得的极化率推导出精确的激发态极化率、寿命、振子强度和范德华C6系数。
• 通过校准干涉测量技术并探索新型检测方法，为未来高精度测量提供支持。

提出的方法

• 采用具有相位斩波器的三纳米光栅马赫-曾德尔原子干涉仪，测量原子束的速度分布。
• 在干涉仪上施加电场梯度，使干涉图案的相位移与原子极化率成正比。
• 使用相位斩波器校准原子束的速度分布，从而实现对原子运动的精确控制与测量。
• 通过电场梯度引起的相位移提取极化率，关系式为 α ∝ Δφ / E²。
• 利用干涉相位移和已知的电场梯度计算极化率，并对几何和系统效应进行修正。
• 将测得的极化率与动态极化率的理论模型相结合，以小于0.09%的不确定度推导出激发态极化率和C6系数。

实验结果

研究问题

• RQ1 铯、铷和钾的基态静态电偶极极化率的不确定度是否低于0.2%？
• RQ2 测得的极化率与从头算原子结构计算及其他实验方法的结果相比如何？
• RQ3 由于系统误差的相关性，极化率比值的不确定度相比单个测量能降低多少？
• RQ4 测得的极化率能否用于推导出精确的激发态寿命、振子强度和C6系数？
• RQ5 这些结果如何约束与铯原子宇称不守恒相关的矩阵元？

主要发现

• 测得铯的基态极化率为 α_Cs = 4πε₀ × 59.39(9) ų，或 401.2(7)（原子单位）。
• 测得铷的极化率为 α_Rb = 4πε₀ × 47.39(8) ų，或 320.1(6)（原子单位）。
• 测得钾的极化率为 α_K = 4πε₀ × 42.93(7) ų，或 290.0(5)（原子单位）。
• 极化率比值以更高精度确定：α_Cs/α_Rb = 1.2532(10)，α_Cs/α_K = 1.3834(9)，α_Rb/α_K = 1.1040(9)，每项不确定度均为0.08%。
• 测得的极化率使铯6p_{1/2}和6p_{3/2}态的寿命、振子强度和线强度得以更精确地推导。
• 通过将基态测量结果与跃迁斯塔克移位数据结合，对铯、铷和钾的np_{1/2}激发态极化率的不确定度优于0.08%。