Квантовая суперпозиция помогла измерить тонкое расщепление в ионах

Японские физики продемонстрировали применимость метода Фурье-спектроскопии сверхвысокого разрешения в сильном поле для точного измерения тонкого расщепления в одно- и двухзарядных ионах инертных газов. Метод основан на влиянии квантовой суперпозиции промежуточного ионного состояния на вероятность вторичной ионизации. Точность измерения расщеплений с помощью такой спектроскопии оказалась в несколько десятков раз выше по сравнению с другими методами. Исследование опубликовано в Physical Review A.

Атомная спектроскопия играет важнейшую роль в тех разделах физики, где требуется высокая точность. Экспериментальное определение разности энергетических уровней достигло такого уровня, который позволяет проверять фундаментальные законы и уточнять мировые константы. Самым известным следствием этого процесса стала загадка радиуса протона, которую мы подробно разбирали в материале «Щель в доспехах».

Однако не все энергетические интервалы в атомах удается измерить с высокой точностью. К таким интервалам относятся спин-орбитальные расщепления основных состояний однозарядных ионов инертных газов, в особенности Ne⁺, Ar⁺, Kr⁺ и Xe⁺. Причина трудности заключается в том, что переходы между соответствующими подуровнями запрещены правилами отбора, поэтому спектроскопистам приходится проводить косвенные измерения, вычисляя разность энергий переходов с возбужденных состояний на оба основных. Такой метод сильно теряет в точности, которая составляет 0,1 обратный сантиметр (несколько сотен гигагерц). Физики пытаются уточнить эти измерения с помощью разнообразных техник, например, зеемановски-модулированной спектроскопии и фотоионизационной спектроскопии, но пока точность удалось улучшить всего на два-три порядка.

Следующий шаг в этом направлении сделала группа японских физиков из Токийского университета при участии Каору Яманучи (Kaoru Yamanouchi). Они смогли существенно увеличить точность измерения тонкой структуры с помощью Фурье-спектроскопии сверхвысокого разрешения в сильном поле. Идея метода основана на ионизации инертных атомов (авторы рассматривали аргон и криптон) парой мощных лазерных импульсов с различной задержкой и измерения выхода двухзарядных ионов. Зависимость числа получающихся ионов от длительности задержки содержит характерные осцилляции, которые напрямую связаны энергией спин-орбитального расщепления.

Объяснение этого эффекта авторы начинают с описания первого этапа ионизации. Они рассматривают процесс ионизации нейтральных атомов аргона и криптона лазером с линейной поляризацией. Согласно теории Аммосова — Делоне — Крайнова вероятность того, что будет ионизирован электрон с проекцией орбитального момента m_L = 0, будет на порядок выше, чем соответствующая вероятность для электрона с m_L= ±1. Спин-орбитальное взаимодействие перемешивает состояние ²P(m_L= 0) в суперпозицию из состояний с J=1/2 и J=3/2. Это, в свою очередь, приводит к осцилляции вероятности обнаружить у такого состояния m_L, равным нулю или единице, с периодом, выражаемым через энергию спин-орбитального расщепления. Вместе с тем, вероятность вторичной ионизации зависит от этого квантового числа. Измеряя зависимость выхода двухзарядных ионов от времени, можно увидеть в ней колебания, которые преобразуются в узкий пик после преобразования Фурье.

Для реализации этой идеи физики использовали лазер с длительностью импульсов пять фемтосекунд и длиной волны 780 нанометров. С помощью интерферометра Майкельсона импульс лазера делился на накачивающий и зондирующий, между которыми вносилась задержка, измеряемая с помощью частотно-стабилизированного гелий-неонового лазера. Оба импульса фокусировались на пучок из смеси исследуемого инертного газа с молекулами D₂, которые использовались для калибровки метода, с фокальной интенсивностью, равной 4,5×10¹⁴ ватт на квадратный сантиметр. Продукты ионизации пропускались через времяпролетный масс-анализатор, где считалось число всех частиц. Повторяя процедуру для различных задержек между импульсами, исследователи увидели четкие осцилляторные сигнатуры, которые дали узкий сигнал в Фурье-спектре.

В результате физики получили значения тонкого расщепления основных состояний иона Ar⁺ и изотопов ⁸⁴Kr⁺ и ⁸⁶Kr⁺ с точностями, которые были выше, чем в предыдущих исследованиях, в 6, 50 и 33 раза соответственно. Помимо этого для последних двух ионов они смогли измерить изотопический сдвиг, который, хоть и получился по величине сопоставимым с одним стандартным отклонением, в целом совпал с теоретическим значением. Вместе с тем, точности эксперимента хватило чтобы разрешить сверхтонкую структуру для изотопа ⁸³Kr⁺, а также измерить спин-орбитальное расщепление у иона ⁸⁴Kr²⁺.

Квантовая суперпозиция встречается во многих физических процессах. Недавно мы писали про то, как ее наблюдали для состояний молекул с различной хиральностью и даже у очарованного D0-мезона для состояний «частица-античастица».

Марат Хамадеев