The application of laser-microwave resonance in trapped rare-earth ions to magnetometry

• Autorzy: Stachowska E. , Szawioła G. , Buczek A. , Koczorowski W. , Furmann B. , Stefańska D. , Walaszyk A. , Dembczyński J.

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie rezonansu laserowego-mikrofalowego uwięzionych jonów

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper describes an application in magnetometry of an experimental set-up for measurement of hyperfine splittings, constructed in the Chair of Quantum Engineering and Metrology, Poznań University of Technology. A method of determination of magnetic flux density on the basis of the measurement of Zeeman splittings of the hyperfine sublevels of atomic (or ionic) electronic levels is discussed. The experimental setup based on a hyperboloidal Paul trap is presented. A review of the current progress of the work and the results hitherto obtained is given.

PL

Praca przedstawia postęp prac w zastosowaniu w magnetometrii stanowiska doświadczalnego do pomiaru rozszczepień nadsubtelnych, zbudowanego w Katedrze Inżynierii i Metrologii Kwantowej Politechniki Poznańskiej. Do detekcji pola magnetycznego wykorzystano uwięzione w pułapce Paula jony izotopu europu &sup151;Eu&sup+;. Wartość pola magnetycznego wyznaczano w prezentowanej metodzie w oparciu o przejścia rezonansowe M1 między stanami zeemanowskimi podpoziomów nadsubtelnych F = 13/2 i F = 11/2 podstawowego poziomu 4f&sup7;(&sup8;S7/2)6s &sup9;S4 stosowanego pierwiastka. O dostrojeniu do rezonansu świadczyła zmiana natężenia fluorescencji indukowanej światłem laserowym o długości fali 420,5 nm. Wykorzystanie tego przejścia jest istotnym novum metody, pozwalającym na wykorzystanie konwencjonalnego barwnikowego lasera, bez konieczności generacji drugiej harmonicznej. Ponadto zaangażowanie w pomiarach stanów o relatywnie dużej liczbie kwantowej F, co było możliwe w przypadku europu, pozwoliło wyznaczyć wartość indukcji magnetycznej z wykorzystaniern aż dwunastu precyzyjnie zmierzonych wartości częstości rezonansowych. Poprawia to wiarygodność uzyskanych wyników i stanowi o zalecie stosowanej metody. W pomiarach odnoszono się do wzorca częstości (model STFS/GPS, Instytutu Elektroniki i Telekomunikacji PP) z podwójnie termostatowanym oscylatorem kwarcowym, stabilizowanym sygnałem GPS. W analizie statystycznej bezpośrednich wyników pomiaru i ich interpretacji wykorzystano iteracyjną metodę diagonalizacji macierzy hamiltonianu umożliwiającą uwzględnienie dominujących efektów II rzędu rachunku zaburzeń - przyczynków zależnych od kwadratu i wyższych potęg wartości indukcji magnetycznej. Krótko dyskutowana jest metoda eliminacji potencjalnych systematycznych błędów pomiaru i interpretacji otrzymanych wyników. Ostatecznie zaprezentowano przykładowy pomiar indukcji pola magnetycznego z precyzją lepszą niż 100 nT, z możliwością istotnej poprawy po optymalizacji wzbudzania jonów i detekcji fotonów.

Słowa kluczowe

EN

Paul trap; optical-microwave double resonance; magnetometer; atomic clock; frequency standard

PL

pułapka Paula; rezonans laserowo-mikrofalowy; magnetometr; zegar atomowy; wzorce częstotliwości

• Wydawca: Komitet Metrologii i Aparatury Naukowej PAN
• Czasopismo: Metrology and Measurement Systems
• Rocznik: 2006
• Tom: Vol. 13, nr 2
• Strony: 207--217
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Stachowska E.

autor

Szawioła G.

autor

Buczek A.

autor

Koczorowski W.

autor

Furmann B.

autor

Stefańska D.

autor

Walaszyk A.

autor

Dembczyński J.

• Poznań University of Technology, Chair of Quantum Engineering and Metrology, Poland,

Bibliografia

• 1. Ertmer W., Hofer B.: Zero-field hyperfine structure measurements of the metastable states 3d24s4F3/2,9/2 of 45Sc using laser-fluorescence atomic-beam-magnetic-resonance technique. Z. Physik A, vol. 276, no. 1, 1976, pp. 9-14.
• 2. Holzwarth R., Udem Th., Hänsch T., Knight J., Wadsworth W., Russell P.: Optical Frequency Synthesizer for Precision Spectroscopy. Phys. Rev. Lett., vol. 85, no. 11, 2000, pp. 2264-2267.
• 3. Massalski J., Studnicki J.: Legal units of measure and physical constants, Warszawa, Wydawnictwo Naukowe PWN 1999. (in Polish)
• 4. Nawrocki W., Wawrzyniak M.: Quantum effects in electrical metrology, Poznań, Poznań Technical University Publishing House 2003.
• 5. Schwindt P., Knappe S., Shah V., Hollberg L., Kitching J., Liew L., Moreland J.: Chip-scale atomic magnetometer. Appl. Phys. Lett., vol. 85, no. 26, 2004, pp. 6409-6411.
• 6. Vanier J., Audion C.: The Quantum Physics of Atomic Frequency Standards. Bristol and Philadelphia, Adam Hilger 1989.
• 7. Kominis L., Kornack T., Allerd J., Romalis M.: A subfemtotesla multichannel atomic magnetometer. Nature, vol. 422, 2003, pp. 596-599.
• 8. Budker D., Kimball D., Rochester S., Yashchuk V., Zolotorev M.: Sensitive magnetometry based on nonlinear magneto-optical rotation. Phys. Rev. A, vol. 62, no. 4, 2000, pp. 043403(7).
• 9. Haken H., Wolf H.: Atoms and quanta. Introduction to contemporary spectroscopy. Warszawa, Wydawnictwo Naukowe PWN 1997. (in Polish)
• 10. Lindgren I., Rosen A.: Relativistic self-consistent field calculations. Case Stud. At. Phys., vol. 4, 1974, pp. 93-149.
• 11. Wolfram S.: The MATHEMATICA® book, 5th ed. Wolfram Media 2003.
• 12. Becker O., Enders K., Werth G., Dembczyński J.: Hyperfine-structure measurements of the 151,153Eu+ ground state. Phys. Rev. A, vol. 48, no.5, 1993, pp. 3546-3554.
• 13. Trapp S., Tommaseo G., Revalde G., Stachowska E., Szawioła G., Werth G.: Ion trap nuclear resonance on 151Eu+. Eur. Phys. J. D, vol. 26, 2003, pp. 237-244.
• 14. Evans L., Sandars P., Woodgate G.: Relativistic effects in many-electron hyperfine structure. III. Relativistic dipole and quadrupole interaction in europium and remeasurement of the nuclear magnetic dipole moments of 151Eu and 153Eu. Proc. Roy. Soc. A, vol. 289, 1965, pp. 114-121.
• 15. Major F., Gheorghe V., Werth G.: Charged particle traps. Physics and techniques of charged particle field confinement. Berlin, Springer-Verlag 2005.
• 16. Emsley J.: Chemistry. Guide on elements. Warszawa, Wydawnictwo Naukowe PWN 1997. (in Polish)
• 17. Enders K.: Hochauflösende Hyperfeinstruktur-Spektroskopie an instabilen Isotopen des Europiums. Ph.D.Thesis, Universität Mainz 1996.
• 18. Armstrong L.: Theory of the Hyperfine Structure of Free Atoms. New York, Wiley-Interscience 1971.
• 19. Stick D., Hensinger W., Olmschenk S., Madsen M., Schwab K., Monroe C.: Ion trap in a semiconductor chip. Nature Physics, vol. 2, 2005, pp. 36-39.
• 20. Häffner H., Hänsel W., Roos C., Benhelm J., Chek-al-kar D., Chwalla M., Körber T., Rapol U., Riebe M., Schmidt P., Becher C., Gühne O., Dür W., Blatt R.: Scalable multiparticle entanglement of trapped ions. Nature, vol. 438, 2005, pp. 643-646.
• 21. Giovannetti V., Lloyd S., Maccone L.: Quantum Metrology. Phys. Rev. Lett. B, vol. 96, no. 1, 2006, pp. 010401(4).