[论文解读] Precision Measurement of the Excited State Landé g-factor and Diamagnetic Shift of the Cesium D$_{2}$ Line

Hans Stærkind, Kasper Jensen+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2022

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 50被引用 4

一句话总结

本研究利用3 T和7 T磁场中的饱和吸收光谱，对铯D2线的激发态Landé g因子和抗磁位移进行了精确测量。通过探测极端Zeeman态，作者实现了光学磁场测量的1 ppm精度，测得gJ(62P3/2) = 1.33408749(52)，精度提升超过两个数量级，并首次报告了二次抗磁位移的测量结果，γ2 = 0.4644(35) MHz/T²。

ABSTRACT

We have performed saturated absorption spectroscopy on the cesium D$_{2}$ line in 3 T and 7 T magnetic fields. By means of sideband spectroscopy on the extreme angular momentum states we have measured the linear magnetic frequency shift of the transition to be $γ_1 = 13.994\:301(11)$ GHz/T. This corresponds to an optical magnetic field measurement of better than 1 ppm accuracy. From this value we can calculate the fine structure Landé g-factor $g_J\left(6^2P_{3/2} ight) = 1.334\:087\:49(52)$. This is consistent with the previous best measurement, and improves the accuracy by more than two orders of magnitude. We have also measured, for the first time ever, the quadratic diamagnetic shift as $γ_2 = 0.4644(35)\:\mathrm{MHz/T^2}$. Our work opens up the field of accurate high field optical magnetometry using atomic cesium. These high accuracy measurements also allow for testing of advanced atomic structure models, as our results are incompatible with the Russel-Saunders coupling value, and the hydrogen-constant-core-model value, by 31 and 7 standard deviations respectively.

研究动机与目标

• 将铯D2线激发态Landé g因子的测量精度提升至超越以往测量水平。
• 首次测量铯D2线的二次抗磁位移。
• 利用铯原子在高磁场中实现高精度光学磁力计。
• 通过将实验结果与理论预测比较，检验先进原子结构模型。

提出的方法

• 在3 T和7 T磁场中对铯D2线进行饱和吸收光谱测量，利用核磁共振（MRI）扫描仪实现稳定且均匀的磁场。
• 对极端角动量态（|F, mF⟩ = |5, ±5⟩）实施边带光谱测量，以分辨线性Zeeman位移。
• 测量线性磁频移γ1 = 13.994301(11) GHz/T，对应光学磁场灵敏度。
• 利用关系式γ1 = gJ μB B / h，从测得的γ1计算精细结构Landé g因子gJ(62P3/2)。
• 通过将观测到的跃迁频率位移拟合至二次模型，确定二次抗磁位移γ2 = 0.4644(35) MHz/T²。
• 利用水中质子的核磁共振（NMR）光谱对磁场进行校准，确保磁场测定的高精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 铯62P3/2态激发态Landé g因子的精确值是多少？
• RQ2 在高磁场中，铯D2线的二次抗磁位移的大小是多少？
• RQ3 所测得的g因子与基于Russell-Saunders耦合理论预测值相比如何？
• RQ4 所测数据能否用于检验超越标准耦合方案的先进原子结构模型？
• RQ5 高精度测量在多大程度上可实现特斯拉量级磁场中光学磁力计的性能提升？

主要发现

• 测得铯D2线激发态Landé g因子为gJ(62P3/2) = 1.33408749(52)，相比以往测量精度提升超过两个数量级。
• 测得线性磁频移为γ1 = 13.994301(11) GHz/T，实现光学磁场测量精度优于1 ppm。
• 首次测得二次抗磁位移为γ2 = 0.4644(35) MHz/T²。
• 所测g因子与Russell-Saunders耦合模型预测值相差31个标准差，与氢原子常数核心模型预测值相差7个标准差，表明其强烈偏离简单耦合模型。
• 结果为检验先进原子结构计算提供了基准，并实现了高磁场中高精度光学磁力计。
• 本研究证明了利用铯原子实现连续、全光学、高场磁力计的可行性，无需射频激发。