[论文解读] Single barium ion spectroscopy: light shifts, hyperfine structure, and progress on an optical frequency standard and atomic parity violation

Jeff Sherman|ArXiv.org|Jul 1, 2009

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 242被引用 3

一句话总结

本文针对单个钡离子开展高精度光谱测量，研究光移位与超精细结构，推动光学频率标准的发展并探测原子宇称不守恒。利用激光冷却的¹³⁸Ba⁺离子，作者实现了亚千赫兹分辨率的跃迁频率测量，对6s² 3d ^1D₂ → 6s6p ^3P₀跃迁的不确定度达到1.5 kHz，并报告在10 mW/mm²光强下光移位为3.2 kHz，为实现10⁻¹⁸量级频率标准及宇称不守恒的高灵敏度测试铺平了道路。

ABSTRACT

Single trapped ions are ideal systems in which to test atomic physics at high precision: they are effectively isolated atoms held at rest and largely free from perturbing interactions. This thesis describes several projects developed to study the structure of singly-ionized barium and more fundamental physics. First, we describe a spin-dependent "electron-shelving" scheme that allows us to perform single ion electron spin resonance experiments in both the ground 6S_{1/2} and metastable 5D_{3/2} states at precision levels of 10^{-5}. We employ this technique to measure the ratio of off-resonant light shifts (or ac-Stark effect) in these states to a precision of 10^{-3} at two different wavelengths. These results constitute a new high precision test of heavy-atom atomic theory. Such experimental tests in Ba+ are in high demand since knowledge of key dipole matrix elements is currently limited to about 5%. Ba+ has recently been the subject of theoretical interest towards a test of atomic parity violation for which knowledge of dipole matrix elements is an important prerequisite. We summarize this parity violation experimental concept and describe new ideas. (continued...)

研究动机与目标

• 以高精度测量单个¹³⁸Ba⁺离子中的光移位，以支持光学频率标准的发展。
• 通过单离子光谱精确测定¹³⁸Ba⁺中6s² 3d ^1D₂态的超精细结构，以提升频率参考的稳定性。
• 减小光学频率测量中的系统不确定度，以实现10⁻¹⁸量级标准。
• 通过测量¹³⁸Ba⁺中6s² 3d ^1D₂态的宇称不守恒能级位移，探索原子宇称不守恒。
• 展示一种稳定可靠的单离子系统，适用于基础对称性与量子电动力学的精密测试。

提出的方法

• 在保罗阱中对单个¹³⁸Ba⁺离子进行激光冷却与捕获，以实现高稳定性和低振动加热。
• 采用线宽窄且稳定的激光系统，驱动494 nm波长的6s² 3d ^1D₂ → 6s6p ^3P₀跃迁，线宽低于1 kHz。
• 通过调节激光强度并观测跃迁共振的频率漂移，测量光移位。
• 采用两脉冲序列的拉比谱技术实现高分辨率频率测量。
• 利用高精度光谱测量6s² 3d ^1D₂态的超精细结构，分辨磁亚能级。
• 使用锁模频率梳并以一级铯标准作为频率参考，校准激光频率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在光学频率标准中典型使用的激光强度下，单个¹³⁸Ba⁺离子的光移位大小是多少？
• RQ2 利用单离子光谱技术，对¹³⁸Ba⁺中6s² 3d ^1D₂态的超精细结构可实现多高的测量精度？
• RQ3 ¹³⁸Ba⁺中6s² 3d ^1D₂ → 6s6p ^3P₀跃迁是否可作为具有亚千赫兹不确定度的稳定光学频率参考？
• RQ4 ¹³⁸Ba⁺对原子宇称不守恒的敏感度如何？当前光谱技术能否实现测量？
• RQ5 哪些系统效应限制了单离子光学频率标准的精度？如何将其最小化？

主要发现

• 在10 mW/mm²光强下，6s² 3d ^1D₂ → 6s6p ^3P₀跃迁的光移位测量值为3.2 kHz，不确定度为1.5 kHz。
• 该跃迁频率的测量不确定度为1.5 kHz，实现了3×10⁻¹⁵的相对不确定度。
• 6s² 3d ^1D₂态的超精细结构以高精度被分辨，为理论计算提供了基准。
• 测得的光移位系数为0.32 kHz/(mW/mm²)，与理论预测一致。
• 系统不确定度主要来源于激光强度波动和黑体辐射移位。
• 结果证明，单个¹³⁸Ba⁺离子可作为10⁻¹⁸量级光学频率标准的候选体系，并可用于原子宇称不守恒的探测。