在鍶原子中 $5s5p^{3}P_{0}\to5s6d^{3}D_{1}$躍遷的絕對頻率測量

核心概念

本文報導了首次利用磁光阱中的再抽運誘導光譜法，對所有穩定鍶同位素在 394 nm 處的 $5s5p^{3}P_{0} \to 5s6d^{3}D_{1}$ 躍遷進行絕對頻率測量，並分析了同位素位移和超精細結構常數，為基於鹼土金屬原子的新光玻色子探索和量子技術發展提供參考。

摘要

研究論文摘要

文獻資訊:

Zhang, S., Tiwari, B. S., Ganesh, S., Singh, Y., & Flambaum, V. V. (2024). Absolute frequency measurements on the 5s5p3P0→5s6d3D1 transition in strontium. arXiv preprint arXiv:2306.11082v4.

研究目標:

本研究旨在精確測量所有穩定鍶同位素在 394 nm 處的 $5s5p^{3}P_{0} \to 5s6d^{3}D_{1}$ 躍遷的絕對頻率，並分析其同位素位移和超精細結構常數。

研究方法:

研究人員採用再抽運誘導光譜法 (RIS) 對冷卻在磁光阱 (MOT) 中的鍶原子進行研究。他們使用 394 nm 雷射激發原子，並通過分析原子螢光信號來確定躍遷頻率。絕對頻率通過將 394 nm 雷射與 698 nm 鐘控雷射經由傳輸腔鎖定來測量。

主要發現:

• 測量了所有穩定鍶同位素的 $5s5p^{3}P_{0} \to 5s6d^{3}D_{1}$ 躍遷的絕對頻率，精度優於 30 kHz。
• 以 ⁸⁸Sr 為參考，測量了 ⁸⁴Sr、⁸⁶Sr 和 ⁸⁷Sr 的同位素位移。
• 確定了費米子同位素 ⁸⁷Sr 的超精細結構常數 A 和 B。
• 通過結合 689 nm 躍遷的同位素位移數據進行了 King 圖分析。

主要結論:

本研究提供了對鍶原子 $5s5p^{3}P_{0} \to 5s6d^{3}D_{1}$ 躍遷的精確頻率測量，這些測量結果可用於：

• 開發基於鍶原子的新型光學原子鐘。
• 研究基於鹼土金屬原子的新光玻色子。
• 改進量子技術中使用的原子操控技術。

研究意義:

這些精確的頻率測量結果對原子物理學和量子技術的發展具有重要意義。

研究限制和未來方向:

未來研究可以集中在提高測量精度和研究其他躍遷的頻率上。

統計資料

⁸⁸Sr 的 $5s5p^{3}P_{0} \to 5s6d^{3}D_{1}$ 躍遷的絕對頻率測量為 760524409251(25) kHz。
相對於 ⁸⁸Sr，⁸⁴Sr、⁸⁶Sr 和 ⁸⁷Sr 的同位素位移分別測量為 91052(35)、54600(33) 和 51641(28) kHz。
3D1 和 3D2 之間的能級間距為 5 cm−1。
5s 和 6d 軌道的結合能分別為 5.69 eV 和 0.77 eV。

引述

"In this paper, we focus on the 5s5p3P0 →5s6d3D1 transition due to the following two main reasons. Firstly, the transition is ideal for repumping of the 1S0 →1P1 MOT; secondly, this transition can be used as an imaging channel for the 2.6 µm 5s5p3P0 →5s4d3D1 transition which can be used to study long-range dipole dipole interactions [17]."
"Our measurements may help the search for theoretically predicted new light bosons with alkaline-earth-metal atoms."

從以下內容提煉的關鍵洞見

Absolute frequency measurements on the $5s5p^{3}$P$_{0}\to5s6d^{3}$D$_{1}$ transition in strontium

by S. Zhang, B.... 於 arxiv.org 11-25-2024

https://arxiv.org/pdf/2306.11082.pdf

深入探究

這項研究如何促進基於鍶原子的光學原子鐘的發展？

這項研究通過以下幾個方面促進了基於鍶原子的光學原子鐘的發展：

提高鍶原子鐘的精度: 精確測量 5s5p³P₀ → 5s6d³D₁ 躍遷頻率可以幫助我們更好地理解鍶原子的能級結構，從而提高鍶原子鐘的精度。
開發新的冷卻和俘獲技術: 文中提到的 repumping induced spectroscopy (RIS) 技術可以應用於開發新的冷卻和俘獲技術，從而提高鍶原子鐘的穩定性和精度。
減少系統誤差: 對躍遷頻率的精確測量有助於識別和減少原子鐘中的系統誤差，例如文中提到的密度偏移、功率偏移和塞曼偏移等。
開發新的原子鐘方案: 對三重態之間躍遷的研究，例如 5s5p³P₀ → 5snd³D₁,₂,₃，可以為開發基於鍶原子的新型光學原子鐘提供思路，例如基於 2.9 µm ³P₂ → ³D₃ 躍遷的 MOT。
總之，這項研究為基於鍶原子的光學原子鐘的發展提供了重要的實驗數據和理論依據，有助於推動高精度時間基準的發展。

如果 King 圖分析顯示出顯著的非線性，將意味著什麼？

如果 King 圖分析顯示出顯著的非線性，則意味著以下一種或多種情況：

核結構效應: 非線性可能源於原子核的體積效應，例如核電荷半徑的變化或核形變。這在具有較大原子序數的原子中尤為明顯。
高階電磁矩: 除了電荷半徑，原子核還具有磁偶極矩、電四極矩等高階電磁矩。這些高階矩也會對同位素位移產生影響，並可能導致 King 圖的非線性。
電子關聯效應: 電子之間的相互作用，也稱為電子關聯效應，也會影響同位素位移。在某些情況下，這些效應可能無法用簡單的線性模型完全描述，從而導致 King 圖的非線性。
實驗誤差: 測量誤差也可能導致 King 圖出現非線性。因此，在分析 King 圖時，必須仔細評估實驗誤差。
對於鍶原子而言，由於其原子核相對較小且接近球形，因此預計非線性效應較弱。然而，文中提到的 King 圖分析結果顯示出一定的非線性，這表明可能存在其他未考慮到的因素。需要進一步的理論計算和實驗研究來解釋這些非線性現象。

除了探索新粒子之外，這些精確的原子光譜測量結果還有哪些其他潛在應用？

除了探索新粒子之外，這些精確的原子光譜測量結果還有以下潛在應用：

精密測量: 精確的原子光譜測量是許多精密測量實驗的基礎，例如測量基本常數、檢測微弱的物理效應等。
量子信息處理: 精確控制和操控原子能級是量子信息處理的關鍵。這些光譜測量結果可以為開發基於鍶原子的量子計算機、量子傳感器等提供重要的參考數據。
天體物理學: 通過分析來自遙遠星體的光譜，可以了解星體的組成、溫度、運動狀態等信息。精確的原子光譜數據可以幫助我們更好地理解宇宙的演化過程。
地球科學和環境監測: 不同同位素的原子光譜會略有不同，通過分析這些差異可以進行同位素分析，從而應用於地球科學和環境監測領域，例如測定岩石年齡、追踪污染物來源等。
總之，精確的原子光譜測量不僅在基礎物理研究中具有重要意義，而且在精密測量、量子信息處理、天體物理學、地球科學和環境監測等領域也具有廣泛的應用前景。