6Li原子躍遷頻率和超精細(xì)分裂的精密測(cè)量?

武躍龍 李睿 芮揚(yáng) 姜海峰 武海斌?

1)(華東師范大學(xué),精密光譜科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200062)

2)(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心,西安 710600)

1 引 言

光譜測(cè)量是人類理解和認(rèn)識(shí)自然的主要手段,其攜帶著原子和分子的信息,在物理學(xué)的發(fā)展中扮演著非常重要的角色.高精度的鋰原子激光光譜無(wú)論是在理論還是在實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域都備受科學(xué)界的關(guān)注.實(shí)驗(yàn)上,科學(xué)家發(fā)展了各種光譜測(cè)量方法來提高6Li和7Li中性原子的精細(xì)和超精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂和同位素位移的測(cè)量精度.這主要是因?yàn)殇囋佑邢鄬?duì)簡(jiǎn)單的三電子結(jié)構(gòu),可以通過第一性原理而精確計(jì)算其波函數(shù)和原子結(jié)構(gòu)[1?3],測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能為當(dāng)前最精確的包括量子電動(dòng)力學(xué)、相對(duì)論修正和三個(gè)電子的有限原子核大小的理論計(jì)算提供重要的測(cè)試依據(jù).同時(shí),它們能用來確定核半徑和測(cè)量精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)α,從而在更高的精度檢驗(yàn)基本的物理規(guī)律.

鋰原子有兩個(gè)穩(wěn)定的同位素6,7Li,而且它還有三個(gè)放射性同位素8,9,11Li,這極大地促進(jìn)了核物理的研究,導(dǎo)致了中子暈的發(fā)現(xiàn).鋰原子光譜的精密測(cè)量是研究量子電動(dòng)力學(xué)頻移的理想選擇,比如可研究同核電荷成四次方的蘭姆(Lamb)位移及相對(duì)論所引起的能量修正.當(dāng)前,根據(jù)包含量子電動(dòng)力學(xué)及反沖修正的Hylleraas變分算法[4],可以得到精確的躍遷頻率、同位素頻移和精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂.通過對(duì)比同位素位移的高精度測(cè)量值和對(duì)應(yīng)能量理論的精確計(jì)算值,可以在亞飛米的精度上確定核電荷半徑.這比從電子散射所得到的精度高一個(gè)數(shù)量級(jí),可以更精確地得到核物質(zhì)的質(zhì)量和電荷分布,從而進(jìn)一步驗(yàn)證和測(cè)試核物理模型[5?7].

鋰原子的D1和D2線的躍遷頻率、同位素位移及精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂已被各種不同的方法測(cè)量過,包括能級(jí)交叉、光學(xué)雙共振、Fourier變換、頻率調(diào)制譜[8?13]等.2001年,美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局(NIST)Porto研究組[14]運(yùn)用光學(xué)頻率梳,在熱原子束中測(cè)量了鋰原子的精細(xì)分裂,發(fā)現(xiàn)了原子D2線的熒光干涉現(xiàn)象.然而使用不同方法測(cè)量得到的實(shí)驗(yàn)值不一致,并且這些實(shí)驗(yàn)值與理論計(jì)算值之間存在較大的分歧,特別是在鋰原子的D2和D2線的同位素測(cè)量中具有極大的分歧,需要進(jìn)一步發(fā)展新的高分辨測(cè)量方法.

幾乎之前所有的測(cè)量都在熱原子束中進(jìn)行,為了消除多普勒效應(yīng),光束和原子束要盡量垂直.為了進(jìn)一步消除多普勒頻移,則需選擇在冷原子中進(jìn)行測(cè)量.比如對(duì)一典型溫度為50μK的冷Li原子,其平均速度約0.37 m/s,其多普勒頻移在kHz量級(jí),能提高光譜的分辨率.

但鋰原子具有質(zhì)量輕、反沖動(dòng)量大等特點(diǎn),使其很難冷卻到極低的溫度.特別是用于冷卻鋰原子的D2線超精細(xì)激發(fā)態(tài)不可分辨(超精細(xì)分裂小于原子的激發(fā)態(tài)壽命),很難實(shí)現(xiàn)有效的西西弗斯(Sisyphus cooling)冷卻,進(jìn)入亞多普勒溫度范圍.通常對(duì)于超冷原子實(shí)驗(yàn)而言,一般方法是將磁光阱(magneto-optical trap,MOT)冷卻所獲得的冷鋰原子直接裝載在大功率遠(yuǎn)失諧激光的偶極阱中,進(jìn)行蒸發(fā)冷卻.這樣雖然可以將原子直接冷卻到亞μK量級(jí),但與此同時(shí)也極大地?fù)p失了原子數(shù)目.一般108個(gè)原子,蒸發(fā)冷卻后剩余105個(gè)左右的超冷原子.且蒸發(fā)冷卻過程比較復(fù)雜,主要用于研究鋰原子的玻色-愛因斯坦凝聚和費(fèi)米氣體簡(jiǎn)并實(shí)驗(yàn).

在本文中,我們實(shí)現(xiàn)了大數(shù)目的6Li冷原子的激光冷卻和俘獲；發(fā)展了基于西西弗斯冷卻和速度選擇的相干布居俘獲(velocity-selected coherent population trapping,VSCPT)的D1線冷卻,原子的溫度被冷卻到近50μK,小于其多普勒冷卻極限溫度;結(jié)合高精度的光學(xué)頻率梳和新的光學(xué)探測(cè)方法,在6Li冷原子中測(cè)量了D1線躍遷的絕對(duì)頻率以及超精細(xì)分裂,結(jié)果和理論的預(yù)測(cè)相一致.

2 6Li冷原子的激光冷卻和俘獲

實(shí)驗(yàn)所采用的真空系統(tǒng)為二級(jí)真空系統(tǒng),主真空部分采用標(biāo)準(zhǔn)的磁光冷卻技術(shù)獲得冷原子.首先6Li被加熱到673 K,獲得大的飽和蒸氣壓,然后再使用Zeeman減速器對(duì)其進(jìn)行減速.Zeeman減速器由8個(gè)線圈組成,前7個(gè)由一個(gè)DC電源提供電流,第8個(gè)由另一個(gè)電源提供相反的電流,在9.5 A時(shí)在軸心產(chǎn)生的磁場(chǎng)大約900 G,對(duì)應(yīng)可減速原子的速度為vcap=830 m/s.實(shí)驗(yàn)中的Zeeman減速光在真空窗口的e?2直徑為1.4 cm,且會(huì)聚焦點(diǎn)在爐子的出口處.30 cm長(zhǎng)的Zeeman減速器可以使原子的軸向的速度減到50 m/s.

圖1 6Li原子的能級(jí)圖(a)和實(shí)驗(yàn)裝置示意圖(b),冷卻和再泵浦激光的頻率和振幅都由雙次通過的聲光調(diào)制器控制,SMPMF是單模保偏的光纖,用來空間過濾和光束整形Fig.1.6Li energy level:(a)Experiment setup;(b)MOT cooling and repumping double pass acousto-optical modulators(AOMs)to achieve frequency shift and amplitude modulation.SMPMF is the single mode polarization maintained fiber,which is used for space- filtering and beam-shaping.

6Li原子的能級(jí)圖和磁光冷卻的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖1所示.一個(gè)輸出約400 mW的可調(diào)諧的外腔半導(dǎo)體激光器(Toptica TA Pro)用來實(shí)現(xiàn)原子的磁光冷卻和俘獲(MOT).激光的頻率通過飽和吸收譜技術(shù)鎖定在D2躍遷線2S1/2,F=3/2→2P3/2,F=5/2的?200 MHz,激光直接輸出的一部分(100 mW)被用作為 Zeeman減速光.其他的光經(jīng)過兩個(gè)聲光調(diào)制器(acousto-optical modulators,AOMs),以實(shí)現(xiàn)冷卻光和再泵浦光.激光輸出耦合進(jìn)單模保偏的光纖以改善空間的光束質(zhì)量.最終冷卻光的頻率為?30 MHz,功率為50 mW;而再泵浦光的頻率為?258 MHz,功率為16 mW;光束的直徑為1.4 cm(強(qiáng)度的e?2).梯度磁場(chǎng)由一對(duì)同軸的反向亥姆赫茲線圈產(chǎn)生.5 s的時(shí)間可以在磁光阱中裝載108原子.實(shí)驗(yàn)背景真空為超高真空(近10?12Torr).

3 灰色黏膠冷卻(gray molasses)

經(jīng)過磁光冷卻和俘獲,6Li MOT原子的溫度大約在200μK,由于其激發(fā)態(tài)不可分辨,沒有普通意義的亞多普勒冷卻機(jī)制.這里采用D1線激光構(gòu)成的灰色黏膠冷卻(gray molasses,GM)進(jìn)一步降低原子的溫度.灰色黏膠冷理論最初是Grynberg等[15]在1994年提出的.通過D1線冷卻,原子將被制備在暗態(tài),暗態(tài)原子的熒光十分微弱,故稱為灰色黏膠冷卻.

本質(zhì)上灰色黏膠冷卻是西西弗斯冷卻和速度選擇的相干布居俘獲共同作用的結(jié)果.首先利用藍(lán)失諧光綴飾出亮態(tài)和暗態(tài),同時(shí)相向?qū)Υ虻钠窆?線偏振或圓偏振),在空間上產(chǎn)生偏振梯度,使亮態(tài)在不同的位置產(chǎn)生不同的光致失諧,而暗態(tài)不與光場(chǎng)耦合,其能級(jí)不發(fā)生移動(dòng).雖然暗態(tài)本身不與光場(chǎng)耦合,但由于原子運(yùn)動(dòng),處于暗態(tài)的原子將會(huì)躍遷到亮態(tài).原子處在暗態(tài)的壽命與其速度的平方成反比,具有一定速度的原子才能進(jìn)入亮態(tài),相對(duì)低速的原子被囚禁在暗態(tài).再加上使用藍(lán)失諧光綴飾的原子,亮態(tài)能量高于暗態(tài),所以由于原子運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致從暗態(tài)到亮態(tài)的耦合,更容易發(fā)生在亮態(tài)勢(shì)的最低點(diǎn).一定速度的原子從暗態(tài)到達(dá)亮態(tài)之后,一定時(shí)間后運(yùn)動(dòng)到勢(shì)的較高點(diǎn),同時(shí)其動(dòng)能在爬坡過程中被損耗,這樣爬坡的過程將會(huì)反復(fù)出現(xiàn),這就是西西弗斯冷卻.而在勢(shì)較高點(diǎn),由于亮態(tài)與激發(fā)態(tài)之間的耦合,原子被泵浦到激發(fā)態(tài),然后自發(fā)輻射光子,落回暗態(tài).由此,高速度的暗態(tài)原子其動(dòng)能不斷地被損耗,一段時(shí)間后,更多低速原子在暗態(tài)積聚,這就是速度選擇的布居數(shù)俘獲.經(jīng)過這樣的冷卻過程,原子團(tuán)溫度可以被高效地降低到多普勒溫度以下.

考慮溫度下降到一定程度時(shí),到達(dá)亮態(tài)的原子動(dòng)能太小,以至于爬坡效應(yīng)微弱,西西弗斯冷卻的效果變差,因此原子的最終平衡溫度將和光致失諧有關(guān).目前GM對(duì)于多種堿金屬原子,在實(shí)驗(yàn)上都達(dá)到了很好的冷卻效果,例如40K冷卻到了20μK,7Li冷卻到了50μK.

圖26Li灰色黏膠冷卻能級(jí)結(jié)構(gòu)圖 深藍(lán)色表示強(qiáng)的冷卻光,δ1藍(lán)失諧于躍遷 F=3/2→F′=3/2,淺藍(lán)色表示弱的再泵浦光,δ2藍(lán)失諧于躍遷 F=1/2→F′=3/2,δ3=δ1?δ2為雙光子失諧Fig.2.6Li gray molasses cooling energy level.Deep blue represents strong cooling light,which is δ1blue detuned to transition F=3/2→F′=3/2.Light blue represents weak repumping light,which is δ2blue detuned to transition F=1/2→ F′=3/2.δ3= δ1?δ2,δ3is the two-photon detuning.

如圖2所示,實(shí)驗(yàn)上在得到6Li MOT后,關(guān)斷MOT激光場(chǎng)和磁場(chǎng)(100μs之內(nèi)),開始實(shí)施灰色黏膠冷卻.冷卻所需的激光來自于一臺(tái)自制外腔反饋半導(dǎo)體激光器,激光輸出經(jīng)過光束整形,進(jìn)入鎖定和聲光移頻系統(tǒng).為了得到穩(wěn)定鎖定、功率大的D1線藍(lán)失諧激光,我們將激光器鎖定在2S1/2,F=1/2→ 2P1/2,F=3/2和 2S1/2,F=3/2→ 2P1/2,F=3/2的交叉線藍(lán)失諧40 MHz處.具體方法為將激光輸出的一部分光經(jīng)過兩個(gè)移頻分別為?120 MHz和+80 MHz串聯(lián)的AOM實(shí)現(xiàn)移頻?40 MHz.經(jīng)過移頻的光進(jìn)入自制的鋰原子池,得到飽和吸收譜,最終鎖定在交叉線的+40 MHz處.冷卻和再泵浦光分別單次經(jīng)過一個(gè)中心頻率在110 MHz附近的聲光調(diào)制器可實(shí)現(xiàn)雙光子失諧δ3的控制.

GM冷卻作為磁光阱MOT俘獲后的二級(jí)冷卻,D1線激光和MOT冷卻過程中使用D2線激光的光路相重合.一般情況下,GM對(duì)原子的背景磁場(chǎng)需求為100 mG以下,避免破壞亮態(tài)和暗態(tài)在空間的分布.原子處GM光束直徑為5.6 mm,功率密度為20Is(Is=2.5 mW/cm2為飽和光強(qiáng)),藍(lán)失諧5Γ,Γ為原子的自然線寬；再泵浦光的功率密度為2Is,頻率藍(lán)失諧為5Γ.GM 冷卻光作用1.5 ms后,可實(shí)現(xiàn)50%的冷卻效率,冷卻溫度可以達(dá)到50μK.

雙光子失諧δ3=0,冷卻效率和冷卻溫度隨單光子失諧δ1的變化如圖3所示.在δ1>25 MHz的一段藍(lán)失諧范圍內(nèi),GM冷卻有很好的效果.當(dāng)藍(lán)失諧小于25 MHz時(shí),冷卻溫度逐漸升高,冷卻效率快速下降,這是由于單光子失諧過小,冷卻光近共振導(dǎo)致加熱引起的.當(dāng)單光子藍(lán)失諧大于40 MHz之后,冷卻效率下降,這是因?yàn)檫^大的單光子失諧使光致失諧變小,進(jìn)而使西西弗斯冷卻效果減弱,使冷卻過程變慢,造成原子數(shù)的耗散.但總的來說,單光子失諧在一段區(qū)域內(nèi),對(duì)冷卻效果影響不大,這一方面也說明了GM冷卻對(duì)激光器鎖定的魯棒性.

圖3 灰色黏膠冷卻后,冷卻溫度(黑色方塊)和冷卻效率(藍(lán)色圓點(diǎn))隨單光子失諧δ1的變化 雙光子失諧δ3=0,冷卻光和再泵浦光功率密度分別為20Is和2Is,冷卻時(shí)間1.5 msFig.3.Temperature and fraction of atoms captured in 6Li D1molasses as a function of single-photon detuning δ1.Here,the capture phase lasts 1.5 ms, δ3=0,the intensity of D1cooling and repumping light are 20Isand 2Is.

冷卻效率和冷卻溫度隨雙光子失諧δ3的結(jié)果如圖4所示.在雙光子共振處,冷卻效果明顯.最低冷卻溫度在雙光子正失諧1 MHz處出現(xiàn),但同時(shí)也降低了冷卻效率.在雙光子失諧為正的一段區(qū)域內(nèi),存在大的反常加熱區(qū)域.這是因?yàn)樵谌醮艌?chǎng)下,冷卻光和再泵浦光本身就滿足Raman共振條件,可以產(chǎn)生Λ型結(jié)構(gòu),產(chǎn)生亮態(tài)和暗態(tài),即自身就有冷卻效果.冷卻光和再泵浦光兩者分別形成的molasses互相作用,表現(xiàn)為雙光子失諧在大于零的一段區(qū)域,有非常強(qiáng)的加熱效果[16].由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,GM冷卻效果對(duì)雙光子失諧非常敏感,實(shí)驗(yàn)中我們采用聲光移頻的方法精確地控制雙光子失諧.聲光射頻來自自制的壓控振蕩器,兩個(gè)壓控振蕩器間有約20—100 kHz的相對(duì)頻率抖動(dòng).接下來我們采用溫控的壓控振蕩器或者采取鎖相的辦法進(jìn)一步提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

圖4 灰色黏膠冷卻后,冷卻溫度(黑色方塊)和冷卻效率(藍(lán)色圓點(diǎn))隨雙光子失諧δ3的變化 單光子失諧δ1=5Γ,冷卻光和再泵浦光功率密度分別為20Is和2Is,冷卻時(shí)間1.5 msFig.4.Temperature and fraction of atoms captured in 6Li D1molasses as a function of two-photon detuning δ3.Here,the capture phase lasts 1.5 ms,δ1=5Γ,the intensity of D1cooling and repumping light are 20Is and 2Is.

原子的溫度采用測(cè)量原子團(tuán)尺寸隨時(shí)間展開的方法來確定,原子團(tuán)的尺寸通過吸收成像標(biāo)定.對(duì)初始溫度為200μK原子,經(jīng)過約660μs原子團(tuán)體積展開到初始狀態(tài)的兩倍.經(jīng)過灰色黏膠D1冷卻,原子團(tuán)溫度降低到50μK,原子團(tuán)的大小在經(jīng)過約1620μs才展開到初始狀態(tài)的兩倍,有效地延長(zhǎng)了原子的壽命.并且經(jīng)過灰色黏膠冷卻,原子團(tuán)的相空間密度增加了27倍,可以為蒸發(fā)冷卻和精密測(cè)量等進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)提供高品質(zhì)的初態(tài)樣品原子.

4 6Li頻率和超精細(xì)分裂測(cè)量

GM的冷卻光和再泵浦光快速關(guān)斷后,用一束弱探針光與原子相互作用,利用光電倍增管得到原子的熒光信號(hào).這里探針激光是由一臺(tái)拍頻鎖定在光梳上的外腔反饋半導(dǎo)體激光器提供,實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖5所示.激光器輸出的光在偏振分束棱鏡(PBS)上分為兩部分,一部分同光梳拍頻,通過相位鎖定模塊,使激光器鎖定到光梳上.

實(shí)驗(yàn)上使用的光梳鎖定在微波銣鐘參考源上,銣鐘在GPS訓(xùn)頻下,100 s內(nèi)積分,可以得到頻率穩(wěn)定性(allan deviation)約為3×10?12.探針光的頻率掃描和開關(guān)通過一個(gè)雙次穿過的聲光調(diào)制器來控制.探針光的光強(qiáng)為200 nW/mm2,小于0.01Is,極大地減弱了譜線的功率增寬,探針光和原子的作用時(shí)間2 ms.

圖5 原子譜線絕對(duì)頻率測(cè)量中探測(cè)激光的實(shí)驗(yàn)設(shè)置 其中NBF為窄帶濾波片,NPBS為偏振不敏感的分束棱鏡Fig.5. The setup of absolute frequency measurement.NBF is a narrow band filter and NPBS is a non-polarizing cube beamsplitter.

圖6 6Li D1線F=1/2→3/2冷原子的熒光譜 (a)紅色線為熒光測(cè)量值,黑色線為Voigt擬合曲線;(b)擬合殘差Fig.6.6Li D1line fluorescence pro file and fitting:(a)Red line is the measurement data,black line is the Voigt function fitting curve;(b) fitting residual.

典型的6Li冷原子的D1線熒光譜如圖6所示.由于實(shí)驗(yàn)中冷原子的溫度在50μK—100μK之間,其Doppler增寬不能完全消除,其譜線不是理想的Lorentz線型,一般用Voigt線型描述,實(shí)驗(yàn)中采用洛倫茲線型和高斯線型的組合來擬合熒光譜的Voigt線型[17].相比于其5.87 MHz激發(fā)態(tài)線寬,最終測(cè)量得到原子線寬約7.5 MHz.這里的增寬主要是由于剩余的多普勒增寬、磁場(chǎng)展寬、功率展寬、碰撞展寬和渡越增寬導(dǎo)致,考慮這些因素的譜線展寬為7.4 MHz,與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果接近.

實(shí)驗(yàn)上測(cè)量得到的6Li原子的D1線的躍遷頻率如表1所列.為了比較,NIST Porto研究組(Ref.[14])和Natarajan組(Ref.[13])的測(cè)量也列在表中,可以看到,我們的測(cè)量和NIST組(Ref.[14])基于光頻梳的鋰原子頻率測(cè)量相一致.

表1 6Li D1線的頻率測(cè)量Table 1.Measured frequencies of6Li D1line.

基于以上頻率的精密測(cè)量,我們測(cè)量了基態(tài)2S1/2和D1線激發(fā)態(tài)2P1/2的超精細(xì)分裂,測(cè)量結(jié)果分別如圖7和圖8所示.

圖7 6Li基態(tài)2S1/2超精細(xì)結(jié)構(gòu)測(cè)量值[14,13,18,19],虛線為原子束磁共振方法測(cè)量gj后計(jì)算得的精確值[20]Fig.7.Comparison between theory and experiment for6Li 2S1/2hyper fine-splitting[14,13,18,19].The vertical line indicates the accurate theoretical value calculated through gjmeasured by atomic beam magnetic resonance(Ref.[20]).

圖8 6Li激發(fā)態(tài)2P1/2超精細(xì)結(jié)構(gòu)測(cè)量值[13,14,18,21],虛線為通過顯關(guān)聯(lián)的Hylleraas基集得到的高精度理論計(jì)算值[3]Fig.8.Comparison between theory and experiment for6Li 2P1/2hyper fine-splitting[13,14,18,21].The vertical line indicates the accurate theoretical value calculated by the explicitly correlated Hylleraas basis set(Ref.[3]).

統(tǒng)計(jì)誤差主要來源于激光器鎖定的抖動(dòng)和聲光調(diào)制器的射頻掃描穩(wěn)定性.冷原子制備好之后,單次測(cè)量時(shí)間為2 ms,聲光調(diào)制器以14.6 kHz步進(jìn),在這段時(shí)間內(nèi)掃過范圍約30 MHz.通過拍頻測(cè)量,頻率掃描的穩(wěn)定性優(yōu)于1 kHz.我們通過對(duì)每個(gè)躍遷譜線進(jìn)行多次測(cè)量(50—100次),來降低系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)誤差.

系統(tǒng)誤差由剩余多普勒頻移、ac Stark頻移、由于背景磁場(chǎng)導(dǎo)致的Zeeman頻移和由于碰撞導(dǎo)致的頻移等組成.由于在冷原子中,原子各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的速度均受到抑制.不同于原子束實(shí)驗(yàn)為了減小多普勒頻移,光束同原子束兩者角度需細(xì)致調(diào)整[22].在冷原子體系中,其主要的多普勒頻移來源于光壓導(dǎo)致原子在光束方向的運(yùn)動(dòng).為了抑制這種頻移,一方面通過探針光對(duì)打原子的方式,減弱了原子的定向加速;另一方面,實(shí)驗(yàn)中使用的探針光功率密度非常弱(小于0.01Is).為了在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證這種頻移,在一次掃譜之后,在原子剩余的存在時(shí)間內(nèi),加入第二次掃譜,得到目標(biāo)躍遷頻率位置的移動(dòng)在兩次掃描中小于5 kHz.由于在冷原子系統(tǒng)中施加的探針光功率密度更弱,相比于之前的原子束實(shí)驗(yàn)所得到的ac Stark頻移,本實(shí)驗(yàn)中約為2 kHz.

通過兩束遠(yuǎn)失諧、長(zhǎng)作用時(shí)間的Raman光,可以掃描原子基態(tài)Zeeman分裂,精確測(cè)量原子所感應(yīng)的磁場(chǎng)大小.我們通過調(diào)整三對(duì)大尺寸亥姆霍茲線圈的電流,控制施加在原子處的補(bǔ)償磁場(chǎng),實(shí)驗(yàn)時(shí)原子處的磁場(chǎng)小于20 mG.下一步,將通過對(duì)真空腔體包裹多層μ-metal來進(jìn)一步削弱環(huán)境帶來的背景磁場(chǎng)[23].實(shí)驗(yàn)中得到的稀薄冷原子氣體,密度大約為 1×109cm?3,由碰撞帶來的頻移小于0.3 kHz.

6Li原子的D2線其激發(fā)態(tài)的超精細(xì)分裂小于自然線寬,在實(shí)驗(yàn)上普通的光譜難以分辨.盡管在參考文獻(xiàn)[14]中利用量子干涉實(shí)現(xiàn)了部分分辨,而在我們的實(shí)驗(yàn)中采用光場(chǎng)相位調(diào)制和快速開關(guān)的方法,可以基本上分辨其超精細(xì)的能級(jí).其具體的精細(xì)分裂測(cè)量還在進(jìn)行中.

5 結(jié) 論

綜上,本文中已實(shí)現(xiàn)了在MOT冷卻的基礎(chǔ)上,對(duì)6Li原子的D1線gray molasses冷卻,最終使原子溫度低于多普勒冷卻極限,達(dá)到50μK;結(jié)合光學(xué)頻率梳,實(shí)驗(yàn)上測(cè)量了其D1線的躍遷頻率和超精細(xì)分裂,測(cè)量的結(jié)果和理論計(jì)算相接近,可以與目前最精確的測(cè)量相比較.同時(shí),需要發(fā)展新的測(cè)量方法去精確地測(cè)量其不可分辨的D2線頻率和超精細(xì)分裂.下一步,我們將同時(shí)精密測(cè)量6Li和7Li的頻率,在更高的精度上測(cè)量其同位素位移以及核半徑的大小.