Анализ сверхтонкой структуры основного и часового уровней в атомах тулия

Одним из ключевых направлений современной метрологии является разработка оптических часов. При этом особый интерес вызывают компактные и транспортируемые установки, применение которых позволит расширить инструментарий для решения ряда задач сенсорики, геодезии, гравиметрии и навигации.

Ранее в работах [1–2] было показано, что атомы тулия являются перспективной платформой для создания транспортируемых оптических часов: были охарактеризованы основные сдвиги и предложены методы подавления ряда эффектов, вносящих наибольший вклад в бюджет ошибок. В частности, был разработан метод компенсации мультипольных сдвигов при взаимодействии с оптической решёткой [3] и продемонстрирована спектроскопия на синтетической частоте для подавления квадратичного эффекта Зеемана [4]. Применение последней техники требует прецизионного управления населённостями различных состояний сверхтонкой структуры атомов тулия, исследованию которой посвящена данная работа.

Измерения проводились с помощью комбинированной микроволновой и оптической спектроскопии облака атомов тулия, захваченных в оптическую решётку. Были проанализированы основные систематические сдвиги, обусловленные эффектами Доплера, Зеемана, Штарка и межатомными столкновениями. Отдельное внимание было уделено эффекту «перемешивания состояний», связанному с одновременным взаимодействием атомов с оптической решёткой и магнитным полем заданной ориентации.

В результате были получены уточнённые значения сверхтонкого расщепления основного и часового уровней, которые находятся в согласии с ранее опубликованными данными и на несколько порядков улучшают точность измерений [5–6].

f_g^HFS = 1 496 550 658.228(33) Гц

f_c^HFS = 2 113 946 873.078(93) Гц.

Помимо этого, разработанная техника позволила уточнить значение g-фактора часового уровня, которое также находится в согласии с ранее опубликованным [7].

g_c = 0.854 786(12).

Данные результаты позволили существенно улучшить режим работы разрабатываемых оптических часов на основе атомов тулия, а полученное в процессе измерений время когерентности свидетельствует о высоком потенциале использования нейтральных атомов тулия в задачах квантовой информатики и логики. Основные результаты проведённых исследований опубликованы в работе [8]. Следующим шагом в разработке тулиевых оптических часов является характеризация взаимодействия атомов с оптической решёткой с учётом эффектов старших порядков.

Исследования ведутся при поддержке гранта РНФ № 24-72-10102.

Литература

1) Sukachev D., et al. Inner-shell magnetic dipole transition in Tm atoms: A candidate for optical lattice clocks // Physical Review A. 2016. Vol. 94, no. 2. P. 022512.

2) Golovizin A., et al. Inner-shell clock transition in atomic thulium with a small blackbody radiation shift // Nature communications. 2019. Vol. 10, no. 1. P. 1724.

3) Golovizin A. Compensation of the multipolar polarizability shift in optical lattice clocks // Optics Letters. 2024. Vol. 49, no. 11. P. 3094–3097.

4) Golovizin A. A. et al. Simultaneous bicolor interrogation in thulium optical clock providing very low systematic frequency shifts // Nature communications. 2021. Vol. 12, no. 1. P. 5171.

5) Giglberger D., Penselin S. Ground-state hyperfine structure and nuclear magnetic moment of thulium-169 // Zeitschrift fuer Physik. 1967. Vol. 199, no. 2. P. 244–255.

6) Van Leeuwen K. A. H., Eliel E. R., Hogervorst W. High resolution measurements of the hyperfine structure in 10 levels of Tm I // Physics Letters A. 1980. Vol. 78, no. 1. P. 54–56.

7) Blaise J., Camus P. Progres recents dans letude des spectres darc et detincelle du thulium // Comptes rendus hebdomadaires des seances de l Academie des sciences. 1965. Vol. 260, no. 18. P. 4693.

8) Mishin D. et al. Combined microwave and optical spectroscopy for hyperfine structure analysis in thulium atoms // Physical Review A. 2024. Vol. 110, no. 3. P. 032817.