Когерентная лазерная спектроскопия атомов водорода и рубидия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, доктор физико-математических наук Колачевский, Николай Николаевич

• Колачевский, Николай Николаевич
• доктор физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Колачевский, Николай Николаевич

Введение

1 Двухфотонная спектроскопия перехода 15

1.1 Двухфотонная спектроскопия атома водорода

1.1.1 Двухфотонное возбуждение перехода 15

1.1.2 Трёхфотонная ионизация.

1.1.3 Статический эффект Штарка.

1.1.4 Доплеровский эффект второго порядка и эффект отдачи.

1.2 Лазерная система.

1.2.1 Лазер на красителе.

1.2.2 Резонатор из материала ULE.

1.2.3 Стабилизация частоты лазера на красителе.

1.2.4 Дрейф резонатора ULE.

1.2.5 Спектральная ширина линии лазера.

1.3 Водородный спектрометр.

1.3.1 Регистрация спектров поглощения перехода 15

1.3.2 Разрешающая способность спектрометра.

1.4 Основные результаты первой главы.

2 EHFs(2S) в атомах водорода и дейтерия

2.1 Сверхтонкая структура и D

2.1.1 Поправки к энергии сверхтонкого взаимодействия

2.1.2 Величина D21.

2.1.3 Сверхтонкое расщепление и D21 в водородоподобных атомах: эксперимент и теория.

2.2 Измерение £hfs(25) в атоме водорода.

2.2.1 Зеемановский спектр двухфотонного перехода 1525 в атоме водорода.

2.2.2 Наблюдение расщепления в магнитном поле.

2.2.3 Вакуумная часть эксперимента.

2.2.4 Измерение спектров синглетного и триплетного ь переходов.

2.2.5 Систематические эффекты.

2.2.6 Ehfs(2S) в атоме водорода: анализ результатов

2.3 Измерение EnFS(2S) в атоме дейтерия.

2.3.1 Эффект Зеемана в атоме дейтерия.

2.3.2 Экспериментальная часть и результаты

2.3.3 Анализ результатов.

2.4 D21 в водороде и дейтерии.

2.5 Основные результаты второй главы.

3 Измерение абсолютной частоты перехода IS — 2S

3.1 Измерение абсолютной частоты лазера на 486 нм.

3.1.1 Фильтрация данных.

3.1.2 Сравнение первичных стандартов частоты.

3.1.3 Определение оси частот в измерениях

3.2 Анализ результатов измерения абсолютной частоты перехода 1S-2S.

3.2.1 Подгонка спектров с помощью модели формы линии

3.2.2 Экстраполяция динамического сдвига Штарка

3.2.3 Модифицированная модель формы линии и учет весовых коэффициентов.

3.2.4 Сравнение методов обработки данных. ф 3.2.5 Модельно-независимая обработка данных.

3.3 Абсолютная частота перехода 1S-2S в атоме водорода

3.3.1 Абсолютная частота перехода (1S, F = 1, mF = ±1) —> (25, F' = 1, т'р = mF).

3.3.2 Абсолютная частота центроида перехода IS-2S

3.3.3 Лэмбовский сдвиг и константа Ридберга.

3.4 Ионизация метастабильного атома водорода излучением 243 нм.

3.4.1 Уширение спектральных линий перехода 1S-2S

3.4.2 Модель в присутствии трехфотонной ионизации

3.4.3 Моделирование возбуждения в пучке.

3.4.4 Сравнение с экспериментальными значениями.

3.5 Основные результаты третьей главы.

4 Измерение абсолютной частоты в атоме водорода и ограничение на дрейф постоянной тонкой структуры

4.1 Сводка основных результатов по дрейфу постоянной тонкой структуры а из геологических и астрофизических данных

4.1.1 Реактор Окло

4.1.2 Астрофизические исследования.

4.2 Лабораторные эксперименты микроволнового диапазона . .131 ы 4.2.1 Тонкая и сверхтонкая структура.

4.2.2 Сводка экспериментальных результатов.

4.3 Дрейф констант и оптические переходы.

4.3.1 Релятивистские поправки.

4.3.2 Оценка дрейфа абсолютной частоты перехода

15, F = 1, mF = ±1) (25, F' = 1, m'F = mF) в атоме водорода.

4.3.3 Измерения эталонных частот переходов в ионах Hg+ и Yb+.

4.3.4 Разделение вкладов взаимодействий различных типов

4.4 Сопоставление результатов по поиску дрейфа а.

4.5 Основные результаты четвертой главы.

5 Бихроматическая спектроскопия атома рубидия

5.1 Резонансы КПН.

5.2 Исследование явления КПН в парах рубидия с помощью би-хроматического источника.

5.2.1 Источник лазерного поля для спектроскопии резо-нансов КПН

5.2.2 Исследование явления КПН в парах рубидия.

5.2.3 Высокочастотные резонансы КПН.

5.3 Основные результаты пятой главы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Когерентная лазерная спектроскопия атомов водорода и рубидия»

Прогресс физики XX века в целом, а в особенности таких её направлений, как атомная физика и спектроскопия, квантовая физика и квантовая электродинамика, во многом обязан экспериментам, выполненным на атоме водорода. Постоянно возраставшая точность проводимых спектроскопических исследований позволила пронаблюдать и исследовать новые эффекты, для интерпретации которых потребовались революционные изменения в представлении о природе процессов, происходящих в атоме.

Первое наблюдение спектральных линий водорода относится, по-видимому, к 1802-1815 годам, когда английский физик В. Волластон, а затем независимо от него немецкий ученый И. Фраунгофер обнаружили в спектре излучения Солнца линии, называемые ныне "фраунгоферовыми линиями". 1 В 1821 году французский учёный А. Массой выдвинул предположение, что линии относятся к излучению водорода, находящегося на Солнце. Только через несколько десятилетий после данного наблюдения, в 1859 г. Р. Бунзен и Г. Кирхгофф установили, что свет, испущенный атомом, может излучаться и поглощаться лишь в определенных узких участках спектра (линиях), причём каждый элемент обладает характерной последовательностью спектральных линий. Было установлено, что в видимой части спектра находятся три линии атомарного водорода с длинами волн 656 нм, 486 нм и 434 нм, которые в настоящее время известны, как три первые линии серии Бальмера #ад7. В 1885 году И. Бальмеру удалось систематизировать наблюдения и связать частоты линий излучения атомарного водорода эмпирической формулой, которая спустя четыре года была обобщена С. Ридбергом. Формула позволяла вычислять частоты (или длины волн) линий водорода как разницу двух членов, которые могли быть в свою очередь интерпретированы как энергии неких дискретных уровней в атоме:

1 = За)' (1)

Ап>п' 4 п2 п'2' где пип'- целые числа (п' > п), а - эмпирическая константа. Представление о наличии дискретных уровней энергии в атоме противоречило

Исторический материал, приводимый во Введении, почерпнут из книги [1]. принятой в то время резерфордовской модели атома. Кроме того, модель Резерфорда, рассматривавшая движение электрона по орбите в рамках представлений ньютоновской физики, не давала объяснения существованию стабильных атомных систем и не позволяла объяснить наблюдаемых экспериментальных результатов. В 1913 году Н. Бор сформулировал два постулата, заложенных в основу его модели атома: (i) электрон в атоме движется по классическим, но дискретным траекториям, определяемым т.н. энергетическими уровнями атома и (и) движение по этим траекториям осуществляется без излучения энергии. Модель позволила объяснить формулу Ридберга (1) и выразить ридберговскую константу2 через массу те и заряд е электрона, постоянную Планка h и скорость света с : тее4

R°° = л 1з > (2)

47Г h С однако вопрос, почему движение электрона по орбитам должно быть безыз-лучательным, оставался нерешённым.

Формулировка принципов квантовой механики Э. Шредингером и В. Гейзенбергом в 1926 году открыла путь к решению этой проблемы. Понятие о корпускулярно-волновом дуализме, волновой функции и стационарных состояниях изменило представление о движении электрона в атоме и о процессах излучения энергии. Согласно уравнению Шрединге-ра, энергия уровней атома водорода меняется обратно пропорционально квадрату квантового числа п при том, что наинизший уровень с п = 1 (основное состояние) имеет энергию связи около —13.6 эВ. Квантовая механика позволила интерпретировать экспериментальный спектр водорода, однако некоторые наблюдавшиеся особенности спектра тем не менее выходили за рамки этой революционной теории.

В 1887 году А. Майкельсон и Морли с помощью изобретенного Май-кельсоном интерферометра обнаружили, что наиболее сильная из видимых линий спектра водорода, соответствующая переходу п = 2 — п' = 3 (На, Л = 656.3 нм), оказывается расщепленной на две компоненты. Уравнение Шредингера не позволяло объяснить подобное расщепление. Наличие расщепления, или т.н. "тонкой структуры", а также опыты О. Штерна и В. Герлаха, которые обнаружили в 1922 году расщепление пучка атомов водорода в неоднородном магнитном поле, позволили двум голландским физикам Дж. Уленбеку и С. Гаудсмиту выдвинуть смелую гипотезу. Гипотеза, появление которой датируется 1925 г., приписывала электрону собственный момент количества движения 8, создающий соответствующий магнитный момент, который впоследствии был назван спином. В 1928 году П. Дирак сформулировал принципы релятивистской квантовой механики, которые позволили интерпретировать тонкую структуру атома водорода

2В гауссовской системе единиц как результат взаимодействия спина электрона в и его орбитального момента I. Появление тонкой структуры в спектре водорода возникает из-за снятия вырождения по полному моменту электрона j} представляющему собой сумму моментов з и I. Кроме того, из дираковской модели следовало существование античастицы, полностью идентичной электрону, но обладающей противоположным зарядом.

Появление новых экспериментальных методов и повышение точности измерений через некоторое время снова вывело спектроскопические результаты, полученные на атоме водорода, на качественно новый уровень, не укладывавшийся в рамки дираковской модели. В 1947 году У. Лэмб и Р. Резерфорд методами радиочастотной спектроскопии обнаружили, что энергии возбужденных состояний 261/2 и 2Р1у/2 слегка различны, несмотря на то, что оба эти состояния обладают одинаковым полным моментом $ = 1/2. Сдвиг уровня, лежащий в основе наблюдаемого расщепления, получил название "лэмбовского сдвига".

В 1946-48 гг. Ю. Швингер, Р. Фейнман и С. Томонага построили фундамент современной теории квантовой электродинамики (КЭД), которая позволила с большой точностью вычислять все процессы электромагнитного взаимодействия электронов и фотонов. КЭД дала исчерпывающее объяснение природы лэмбовского сдвига, основной физической причиной которого являются квантовые флуктуации электромагнитных и электронно-позитронных полей вакуума, меняющие потенциальную энергию V (г) = —Ее2/г взаимодействия электрона с ядром (^е - заряд ядра, г - расстояние от ядра).

Взаимодействие орбитального момента электрона j с электрическим и магнитным моментами ядра также приводит к расщеплению уровней атома. Данное расщепление, называемое "сверхтонким", является для атома водорода самым слабым из вышеперечисленных. В одноэлектронных атомах каждый энергетический уровень расщепляется на два, которые отличаются проекциями ядерного спина на вектор полного момента электронной оболочки Структура уровней атома водорода сп = 1ип = 2в представлении различных теорий изображена на рис. 1, наглядно демон-стрирущем переход от одной модели атома к другой. Поправки КЭД к дираковской модели и сверхтонкая структура отображают энергетические уровни атома водорода в том виде, в котором они известны современной физике.

Поскольку атом водорода является атомной системой, характеристики которой в большой степени поддаются точным расчетам, он играет огромную роль при проверке достоверности и полноты различных физических моделей. Явившись в свое время важным экспериментальным объектом в построении современной физики, в настоящее время атом водорода играет не менее важную роль при определении фундаментальных констант и других фундаментальных величин.

Е [эВ] О

-3.4

-13.6

Бор Дирак КЭД СтруктураЯ

SS///////S///S///S///////////S/// п = 2

7 = 3/2

1=0 f= 1 j = 1/2 1 f= о n = 1

-С

2S

1/2

243 нм 243 нм

1S j= 1/2

F=0

1/2

Рис. 1: Уровни энергии атома водорода с п = 1 и 2 в представлении воровской модели атома (Бор), релятивистской теории Дирака (Дирак), и теории квантовой электродинамики (КЭД) (не в масштабе). В правой части рисунка представлена сверхтонкая структура уровней. Схематически изображён двухфотонный переход на метастабильный уровень 25, обладающий длительным временем жизни, равным около ЦО мс.

Постоянная Ридберга (2), являющаяся универсальным масштабирующим фактором энергии связи в атоме, определяется методами лазерной спектроскопии атома водорода в комбинации с расчетами КЭД. Благодаря возросшей точности вычислений КЭД и высокой степени доверия к её методам вычисления, расчёты КЭД в настоящее время входят в определение многих фундаментальных величин, например, постоянной тонкой структуры а = e2/hc (см., например, [2]). Так, из результатов прецизионного измерения ^-фактора связанного электрона в ионе

С5+ и расчётов КЭД может быть определено отношение масс электрона и протона [л = те1тр

3], что в 4 раза превосходит по точности экспериментальный результат

4]. Наиболее точное значение для постоянной тонкой структуры а также получено из обработки экспериментов на ионе С5+ с помощью аппарата КЭД [5].

Новым толчком к дальнейшему развитию методов КЭД послужило появление квантовой хромодинамики (КХД) - современной теории, описывающей сильные взаимодействия. Теории КЭД для связанных состояний и КХД оказались тесно взаимосвязаны и новые результаты, получаемые в одном из теоретических направлений, зачастую имеют близкие аналоги в другом из них. В качестве примера можно привести исследования позитрония и тяжёлого кваркония. Атомные системы являются удобным лабораторным объектом для проведения тестов физики связанных состояний, результаты которых играют важную роль как для понимания процессов, происходящих в атоме, так и в ядре. Атом водорода за счёт своей относительной простоты и стабильности является прекрасным объектом для проведения тестов КЭД связанных состояний.

Прецизионные расчёты энергий уровней, выполненные с использованием КЭД связанных состояний, сталкиваются с проблемой неопределенности распределения заряда в ядре. Ошибка, вносимая этой величиной в расчёт, делает нецелесообразным учёт поправок КЭД и соответствующих им физических процессов начиная с некоторой степени малости. Для проведения тестов "чистой" КЭД предпочтительно исследование лептонных систем (позитрония е~е+ и мюония е~/х+), проведение экспериментов в которых, однако, затруднено ввиду их короткого времени жизни. Кроме того, существует возможность проведения расчетов специфических разностей энергий, позволяющих устранить основной вклад адронных эффектов и тестировать непосредственно вклады, описываемые в рамках КЭД.

Одной из целей данной работы является прецизионное измерение сверхтонкого расщепления уровня 25 в атоме водорода и дейтерия, требуемое для определения разности Дц:

П21 = 8£Нрз(25) - ^(15), (3) где .Едав (25) и £'нгз(1'5) - величины сверхтонкого расщепления уровней 25 и 15 соответственно. В отличие от непосредственных расчетов ,Енрз(25) и .Енрз(15), которые на несколько порядков величины менее точны, чем экспериментальные данные, расчет Да опережает по точности эксперимент за счет сокращения эффектов, связанных с конечными размерами ядра (см. работу [6] и ссылки в ней). Для сопоставления теоретического и экспериментального значений Д21 и проверки поправок КЭД высоких порядков требуются прецизионные методы измерения расщепления возбужденного состояния .Ёнрз(25), поскольку ошибка, вносимая величиной -Енрз^З1) в £>21 оказывается пренебрежимо малой.

В настоящей работе разработан и реализован новый дифференциальный оптический метод прецизионной спектроскопии уровня 25 в водоро-доподобных атомах, обладающий относительной точностью, в несколько раз превышающей точность радиочастотных методов [7, 8, 9]. В работе получено новое значение для сверхтонкого расщепления уровня 25 в атоме водорода с рекордной точностью.

Впервые двухфотонное возбуждение атома водорода в 25 состояние было осуществлено Т. Хэншем [10] с помощью импульсного лазерного источника. За этим экспериментом последовала серия работ с использованием непрерывного лазера и газовой ячейки, а затем холодного атомного пучка, проведённая в Германии под руководством Т. Хэнша. В 1999 г. была достигнута точность в определении абсолютной частоты перехода 15-25 в 1.8 ■ Ю-14 [11]. Наряду с этим в Париже под руководством Ф. Бирабена велись работы по возбуждению атома водорода на другие уровни (15-35, 2S-8D и др.) [12]. В настоящее время точность определения константы Ридберга определяется в основном ошибкой парижского измерения, что связано с большой естественной шириной уровня 8D и его чувствительностью к возмущениям. Несмотря на то, что экспериментальная ошибка в измерении частоты 15-25 не является в данный момент ограничивающим фактором в определении R^, необходимо проведение дополнительных экспериментов по измерению абсолютной частоты уровня 15* — 25 для выявления возможных систематических эффектов, дающих вклад в результат измерения. Водородный спектрометр в г. Гархинге (Германия) [13] является уникальной установкой, на которой возможно проведение экспериментов по прецизионному определению частоты перехода 15* — 25.

На рис. 2 представлен прогресс точности спектроскопических измерений, выполненных в атоме водорода в течение последних 10 лет. Данные относятся к эпохе бурного развития методов измерения абсолютных частот оптических переходов, кульминировавшей в 1999 г. появлением "оптической гребёнки" на базе импульсно-периодического фемтосекундного лазера с пассивной синхронизацией мод, что позволило фазово-когерентно связать диапазоны оптических и радиочастот [14]. С появлением этого метода существенно повысилась точность определения абсолютных частот атомных переходов, лежащих в оптическом диапазоне и открылись реальные возможности применения высокодобротных резонансов оптического диапазона для создания вторичных стандартов частоты.

Техника оптической гребенки позволяет не только проводить прецизионные измерения оптических частот, но и использовать фазово-когерентные свойства мод гребенки в различных важных спектроскопических прило

-О

Ь 11 § юИ1 т

1 ю-,! X i ю-13 S о

Е Ю о

1990 1995 2000 год

Рис. 2: Прогресс относительной точности спектроскопических измерений в атоме водорода. Крестиком отмечено измерение 2003 г., выполненное в этой работе. жениях, где требуется высокая степень взаимной когерентности полей, обладающих различными частотами. Создание таких специфических полей требуется, например, для прецизионного исследования явления когерентного пленения населенностей (КПН) в трехуровневых атомных системах, где параметры резонанса оказываются чувствительны к взаимной фазе полей. До настоящего времени, диапазон разностных частот фазово-когерентных полей был ограничен микроволновым диапазоном, где могут быть эффективно использованы методы фазово-частотной модуляции и генерации боковых частот.

В рамках работы по прецизионной спектроскопии паров щелочных и щелочноземельных атомов, выполняющейся автором в Физическом Институте им. П.Н. Лебедева РАН, был создан новый бихроматический источник фазово-когерентных лазерных полей на базе импульсно-периоди-ческого фемтосекундного лазера. Фемтосекундный лазер использовался в качестве опорного источника, относительно которого стабилизировались полупроводниковые лазеры с использованием методов фазовой стабилизации. Разностная частота такого источника оказывается ограничена шириной спектра фемтосекундного лазера (насколько терагерц) и может быть расширена до оптического диапазона с использованием фотонных кристаллов. Характеристики этого источника и его пригодность для исследования явления КПН были подробно исследованы на примере системы атома рубидия.

Разработанный в рамках этой работы подход открывает возможность для фазово-когерентного исследования высокодобротных резонансов КПН, лежащих в области 10-100 ТГц. Высокая потенциальная добротность резонансов КПН в щелочноземельных атомах открывает возможность для создания на их основе стабильных реперов частоты.

Рост точности оптических измерений позволяет не только обновить результаты и следствия уже известных теорий, но и проводить совершенно новые тонкие тесты, затрагивающие широкий круг фундаментальных проблем. Так, теория КЭД, описывающая на квантовом языке электромагнитные взаимодействия, до настоящего момента не столкнулась ни с какими внутренними противоречиями и точно описывает круг явлений, определяющихся этим типом взаимодействий. Теория электрослабых взаимодействий рассматривает электромагнитные и слабые взаимодействия как два аспекта единого типа взаимодействий. В свою очередь, сильные взаимодействия достаточно точно описываются теорией КХД. Эти теории в принципе допускают объединение (например, в рамках Суперсимметричной модели или Теории Великого Объединения) и оперируют набором фиксированных параметров - т.н. фундаментальных констант, которые не могут быть вычислены в рамках этих теорий. Теории опираются на принцип эквивалентности Эйнштейна, запрещающий изменение этих фундаментальных параметров.

С другой стороны, попытки построить теории, позволяющие объединить вышеперечисленные типы взаимодействий (электромагнитное, слабое и сильное) с гравитационным, оказываются не столь успешными. Дело в том, что до сих пор не удалось проквантовать гравитационное поле в обычном четырехмерном пространстве, без чего объединение становится невозможным. Были предложены теории, оперирующие в многомерном пространстве и, в принципе, допускающие совместное описание четырёх известных типов взаимодействий (см., например, обзор [15]). К ним относятся теории Калуца-Кляйна (Ка1ига-К1ет) в пятимерном пространстве, а также теории струн и суперструн в одиннадцатимерном пространстве. Дополнительные размерности компактифицированы, и их масштаб определяется планковской длиной = >/СТь/с3 ~ 1.5 ■ Ю-35 м, что намного порядков меньше любого физического размера, представленного в обычном пространстве. Для проверки этих гипотез чувствительность гравитационных тестов оказывается недостаточной. Так, проверка постулатов общей теории относительности в экспериментах по измерению гравитационного красного смещения на сегодняшний день достигла точности 10~3 [16].

В представлении теорий объединения, фундаментальные константы и константы связи нашего четырехмерного пространства, являются проекциями констант многомерного мира. Теория струн допускает, что масштаб многомерного пространства может изменяться, например, по причине расширения Вселенной, и как следствие допускается измерение значений проекций наблюдаемых констант в четырехмерном пространстве. В теории струн допускается дрейф постоянной тонкой структуры а на уровне а/а ~ (Ю-16 Ч- Ю-18) год"1 [17, 18].

Поскольку значения фундаментальных констант являются экспериментально определяемыми величинами и не могут быть вычислены (по крайней мере в рамках той теории, где они являются фундаментальными), то же самое можно отнести и к исследованию их дрейфов. Современные чувствительные тесты наличия дрейфов констант являются важным направлением фундаментальных исследований, открывающим возможность судить о применимости тех или иных основополагающих теоретических постулатов и моделей. По степени важности это направление стоит на одном уровне с работами по поиску электрического дипольного момента частиц, поиску нарушений Т-инвариантности и тестов принципа эквивалентности Эйнштейна.

Целью данной работы явилось проведение измерения абсолютной частоты перехода 15-25 в атоме водорода для определения возможного изменения постоянной тонкой структуры а во времени на уровне Ю-15 в год. Этот уровень точности интересен тем, что некоторые современные космологические исследования красного сдвига указывают на возможный дрейф постоянной тонкой структуры а также на уровне а/а ~ Ю-15 в год см., например, [19]).

В данной работе предложен новый метод, позволяющий делать модельно-независимые оценки дрейфа фундаментальных констант разной природы по отдельности без каких-либо допущений об их возможных корреляциях и сделан вывод о верхней границе дрейфа постоянной тонкой структуры в современную эпоху. Метод основывается на сравнении независимых измерений абсолютных оптических частот в водороде, выполненных, в частности, в настоящей работе с измерением частот в других атомных системах.

Спектроскопия перехода 1S-2S в атоме водорода сыграла значительную роль в решении ряда фундаментальных задач современной физики. Часть этих задач уже решена с исключительно высокой точностью и для получения новых результатов требуется существенный прогресс других областей физики. К таким вопросам относится измерение изотопического сдвига в дейтерии и определение структурного радиуса дейтрона rstruc [20], а также определение константы Ридберга и лэмбовского сдвига [11, 21]. Проводится подготовка к ряду прецизионных экспериментов, целью которых является увеличение точности определения других переходов в атоме водорода и, по возможности, приближение её к точности, демонстрируемой в настоящей работе. К ним относятся готовящийся эксперимент в Париже по определению частоты перехода 1S-3S [22], а также эксперимент по спектроскопии в бозе-конденсированном водороде, подготавливаемый группой Д. Клеппнера в Массачусетском технологическом институте [23, 24]. Комбинация этих данных с данными, полученными в рамках этой работы приведёт к увеличению точности определения Д» и лэмбовского сдвига, и, как следствие, ряда других фундаментальных величин. В институте Пауля Шерера (Paul-Sherer Institut, Швейцария) ведётся подготовка к экспериментам по измерению сверхтонкого расщепления в мюонном водороде (р+ц~), которые позволят существенно уточнить зарядовый радиус протона и повысить точность расчета энергетических уровней в атоме водорода (см., например, [25, 26]).

Чрезвычайно интересным с точки зрения фундаментальной физики является сравнение спектров водорода и антиводорода (р~е+), которое, возможно, даст ключ к решению вопроса о справедливости СРТ теоремы на принципиально новом уровне точности [27]. В последние годы эта область быстро прогрессирует: на антипротонном замедлителе в ЦЕРНе в 2002 г. сразу двумя группами ATHENA и ATRAP был синтезирован и зарегистрирован холодный антиводород [28, 29].

Ниже сформулированы основные научные задачи, решаемые в рамках данной диссертационной работы:

• Создание системы стабилизации лазера на красителе на длину волны 486 нм. Система стабилизации должна обеспечивать дрейф частоты лазерной системы не более 1 Гц/с при ширине спектра излучения на уровне 100 Гц.

• Разработка оптического метода измерения сверхтонкого расщепления уровня 2Б в атомарном водороде в слабых магнитных полях (менее 1 мГс).

• Прецизионное измерение частоты сверхтонкого расщепления уровня 25 в атоме водорода относительно частоты пучкового цезиевого стандарта, анализ данных с учетом систематических эффектов.

• Измерение частоты сверхтонкого расщепления уровня 25 в атоме дейтерия, разработка метода экспериментального анализа столкно-вительного сдвига этой частоты.

• Измерение абсолютной частоты перехода 15-25 в атоме водорода относительно частоты цезиевого фонтана.

• Разработка теоретической модели двухфотонного возбуждения атома водорода в пучке, создание модели формы линии и сравнение различных методов обработки данных.

• Анализ прецизионных спектроскопических данных с целью определения верхней границы дрейфа постоянной тонкой структуры и других фундаментальных констант в современную эпоху без привлечения сильных модельных допущений.

• Создание широкополосного фазово-когерентного бихроматического источника лазерного поля на базе фемтосекундного лазера для прецизионного исследования явления когерентного пленения населенности. Детальное исследование свойств источника и спектроскопические исследования атома рубидия с его помощью.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Оптика», Колачевский, Николай Николаевич

Результаты работы докладывались на серии семинаров в российских и зарубежных институтах и университетах. По теме работы опубликовано более 37 научных работ (из них 17 публикаций в российских и иностранных научных журналах и 20 работ в материалах конференций, ссылки представлены на стр. 228 настоящей работы). Результаты работы были представлены на ряде российских и международных конференций. Ссылки на материалы докладов приведены на стр. 230.

Благодарности

Прежде всего хочется выразить благодарность своим учителям и коллегам из Физического Института им. П.Н. Лебедева РАН: профессорам Игорю Ильичу Собельману, Вадиму Николаевичу Сорокину, Льву Израилевичу Бейгману и Леониду Петровичу Преснякову, а также своему научному руководителю по кандидатской диссертации Евгению Николаевичу Рагозину. Трудно переоценить опыт и высочайшую теоретическую и экспериментальную физическую школу, которой они бескорыстно делятся с коллегами, стимулирующие дискуссии и теплые человеческие отношения - все то, что является необходимым для решения сложных задач, требующих максимальной концентрации внимания и творческих ресурсов. Выражаю благодарность Алексею Акимову, Алексею Соколову, Артуру Матвееву и остальным сотрудникам Лаборатории оптики активных сред, вместе с которыми был получен ряд интересных результатов по спектроскопии атомных паров. Сама атмосфера ФИАНа, формируемая всеми членами научного коллектива, тесное сотрудничество с Московским физико-техническим институтом дают импульс к развитию и углублению идей экспериментальной и теоретической физики.

Хочется поблагодарить Сергея Игоревича Канорского, представившего меня известному германскому профессору Теодору Хэншу, в лабораториях которого была проведена значительная часть представленных в диссертации экспериментов. Несколько напряженных лет, проведенных в институте Макса-Планка по квантовой оптике, практически неограниченная творческая свобода, длительная подготовка к сложным экспериментам, серии ночных измерений, обсуждение и подготовка публикаций оставили целый спектр впечатлений, сопоставимый разве что с радужным спектром излучения суперконтинуума, выходящего из фотонно-кристаллического волокна. Хочется поблагодарить немецких коллег Томаса Удема, Рональда Хольцварта, Марка Фишера, Петера Фенделя и Маркуса Циммермана за помощь в подготовке и выполнении некоторых экспериментов, а также французскую группу под руководством Кристофа Саломона и, прежде всего, Мишеля Абгралля и Яна Грюнерта, доставивших цезиевый фонтан РОМ в институт Макса Планка под сильнейшим снегопадом и снабжавших нас одним из самых стабильных и точных сигналов времени в мире.

Теоретическая поддержка части исследований осуществлялась российскими и иностранными физиками: Савелием Каршенбоймом, Владимиром Ивановым, Ули Дженшурой и Мартином Хаасом, которым я также благодарен за обсуждения и помощь.

Выражаю глубокую благодарность своему отцу - H.H. Колачевскму, также физику, область интересов которого, однако, сильно отличается от прецизионных оптических измерений. Тем не менее он был первым, кто заронил искру интереса к точным наукам, любовь к экспериментам и аккуратность при решении различных задач. Остальных членов своего семейства - маму, жену и ребенка хочется поблагодарить за постоянную поддержку, стоическое терпение и толерантность по отношению к моему увлечению, приводящему к поздним возвращениям или длительному отсутствию дома, а также перепадам настроения, вызванным не всегда понятными для них причинами, как, например, отсутствием сигнала в канале фазовой привязки или нестабильностью лазера.

Естественно, хочется вспомнить своих друзей из МФТИ и МГУ с которыми было проведено множество вечеров в общежитиях Москвы, Мюнхена и Иннсбрука за обсуждением как физических так и бытовых проблем: Пашу Бушева, Мишу Клембовского и Олю Назаркину.

Финансовая поддержка исследований была частично предоставлена грантами РФФИ, Президента Российской Федерации, программой "Интеграция", а также фондом Александра фон Гумбольдта (AvH) и Немецким исследовательским обществом (DFG).

Заключение

Диссертация посвящена прецизионным измерениям в атоме водорода, дейтерия и когерентной спектроскопии атома рубидия. Экспериментальные результаты получены методом когерентной лазерной спектроскопии на пучке атомарного водорода (дейтерия) второй гармоникой излучения стабильного лазера на красителе с Л = 486 нм, а также в кюветах с парами рубидия с помощью связанных по фазе полупроводниковых лазеров (780 нм, 795 нм). Ниже приведены основные результаты работы:

1. Разработан новый дифференциальный метод измерения сверхтонкого расщепления метастабильного уровня 25 в водороде и дейтерии. Основными преимуществами метода являются низкие значения магнитных полей в зоне возбуждения (< 1 мГс), существенное подавление основных систематических ошибок и высокая точность. Для осуществления метода создан монолитный стабильный резонатор. Разработана и реализована система стабилизации частоты лазера на красителе с А = 486 нм относительно частоты продольной моды резонатора так, что плавный дрейф частоты лазера составляет менее 0.5 Гц/с, а спектральная ширина линии излучения лазера составляет в 60 Гц.

Экспериментально измерениы частоты сверхтонкого расщепления уровня 25 в атомах водорода 177 556 860 ± 16 ГЧи дейтерия

Янйз (25)/н = 40 924 454 ± 7 Гц.

Точность измерения этих фундаментальных величин повышена в несколько раз по сравнению с результатами, полученными методом радиочастотной спектроскопии.

2. На основании результатов измерения энергии сверхтонкого расщепления уровня 25 Ецрэ(25) определены значения разности

21 = 8-Енрз(25) — £,НРЗ(1'5') в атомах водорода и дейтерия. Результат находятся в хорошем согласии с теоретическим расчетом, выполненным в рамках квантовой электродинамики (КЭД) и позволяют провести проверку поправок КЭД связанных состояний на уровне Ю-7. Доказана справедливость поправок к энергии сверхтонкого расщепления, зависящих от главного квантового числа, вида а(^а)2 Ер и а(^а)21п(£а) Ер, а также поправок отдачи (^а)2 (те/М) Ер, где Ер - энергия Ферми.

3. Измерена абсолютная частота перехода 15-25 в атоме водорода относительно частоты первичного цезиевого стандарта: сепегыа) = 2 4бб 0б1413 18? 078 ± 34 Гц.

Проведен анализ результатов с помощью разработанной модели формы линии и сравнение различных методов обработки данных. Разработана модель возбуждения двухфотонного перехода 15-25 в присутствии фотоионизации уровня 25. Определено, что относительный дрейф частоты 15-25 в атоме водорода не превышает

-3.2 ± 6.4) • Ю-15 год-1.

4. Разработан метод определения верхней границы дрейфа фундаментальных констант в современную эпоху на основе прецизионных измерений оптических частот. Достоинством метода является отсутствие каких-либо сильных модельных допущений о взаимосвязи между константами. На основании измерения дрейфа частоты перехода 15-25 в атоме водорода и комбинации с результатами других прецизионных измерений сделан вывод о верхней границе дрейфа постоянной тонкой структуры дг 1п а = (-0.3 ± 2.0) • 10"15 год-1, магнитного момента ядра цезия (0.6 ±1.3) ■ Ю-14 год-1 и ^-фактора протона: дь 1п др = (-0.05 ± 0.56) ■ 10~15 год-1. алп

9Са

5. Предложен и впервые реализован фазово-когерентный источник би-хроматического поля на базе фемтосекундного лазера с пассивной синхронизацией мод. Определена степень взаимной когерентности полей. На примере атома рубидия экспериментально показано, что источник бихроматического поля позволяет регистрировать резонан-сы когерентного пленения населенности (КПН) с шириной вплоть до 1 кГц, что сопоставимо с результатами, полученными методом прямой модуляции частоты полупроводникового лазера. Преимуществом созданного источника является возможность исследования явления КПН в атомных системах с большим расщеплением нижних уровней, лежащим как в микроволновом, так и в оптическом диапазонах. Впервые с помощью независимых лазерных источников с длинами волн 672 нм и 686 нм исследовано явление КПН в системе атома самария с расщеплением нижних уровней порядка 10 ТГц.

Научная новизна результатов.

Результаты, полученные в данной работе, являются новыми и оригинальными.

Впервые использован оптический метод измерения сверхтонкого расщепления уровня 25" в водородоподобных атомах. Полученные результаты в несколько раз уточняют значения, полученные методами радиочастотной спектроскопии. При этом удалось повысить экспериментальную точность определения важной для теории разности в нейтральных водородоподобных системах, что открыло доступ к исследованию малых поправок квантовой электродинамики к энергии сверхтонкого расщепления для водорода и дейтерия.

Увеличена точность измерения частоты 15в атоме водорода, разработана новая модель возбуждения этого перехода в присутствие фотоионизации. Впервые экспериментально продемонстрирована воспроизводимость определения частоты \S-2S на уровне относительной точности Ю-14, что необходимо для надежного определения постоянной Ридберга.

Впервые определена верхняя граница относительного дрейфа частоты перехода \S-~2S в атоме водорода на уровне Ю-15 в год. Разработан метод разделения вкладов дрейфов фундаментальных констант различной природы в дрейф частот оптических переходов. Впервые определена верхняя граница дрейфа постоянной тонкой структуры в современную эпоху без привлечения модельных допущений о связи дрейфов констант связи различной природы.

Разработан и создан принципиально новый источник бихроматического поля, который был применен в данной работе для исследования явления когерентного пленения населенности связанными по фазе полями.

Практическая значимость работы.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Колачевский, Николай Николаевич, 2005 год

1. John S. Ridgen, "Hydrogen: The Essential Element", Harvard University Press, (2002).

2. J.P. Möhr and B.N. Taylor, Physics Today 54(3), стр. 29 (2001).

3. Т. Beier, P. Indelicato, V.M. Shabaev and V.A. Yerochin, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 36, стр. 1019 (2003).

4. D.L. Farnham, R.S. Van Dyck, Jr., and P.B. Schwinberg, Phys. Rev. Lett. 75, стр. 3598 (1995).

5. G.W.F. Drake, Can. J. Phys. 80, стр. 1195 (2002).

6. S.G. Karshenboim and V.G. Ivanov, Phys. Lett. В 524, стр. 259 (2002); Euro. Phys. J. D 19, стр. 13 (2002).

7. J.W. Heberle, H.A. Reih, and P. Kusch, Phys. Rev. 101, стр. 612 (1956).

8. N.E. Rothery and E.A. Hessels, Phys. Rev. A 61, 044501 (2000).

9. H.A. Reich, J.W. Heberle, and P. Kusch Phys. Rev. 104, стр. 1585 (1956).

10. T.W. Hänsch, Laser Spectroscopy III, 149 Springer Series in Optical Sciences 7, J.L. Hall и J.L. Cflsten, Springer, Berlin/New York (1977).

11. M. Niering и др. Phys. Rev. Lett. 84, стр. 5496 (2000).

12. D. de Deavour и др. Phys. Rev. Lett. 78, стр. 440 (1997).

13. A. Huber, В. Gross, М. Weitz and T.W. Hänsch, Phys. Rev. A 59, стр. 1844 (1999).

14. J. Reichert, M. Niering, R. Holzwarth, M. Weitz, Th. Udem, and T.W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 84, стр. 3232 (2000).

15. С. Lämmerzahl and H. Dittus, Ann. Phys. (Leipzig) 11 , стр. 95 (2002).

16. Д.Д. Иваненко, Г.А. Сарданашвили, "Гравитация", УРСС, Издательство научной и учебной литературы, Москва (2004).17 18 [19 [20 [21 [2223 24 [252627 28 [29 [30 [3132 333435 36

17. G. Hagel, R. Battesi, F. Nez, L. Julian, and F. Biraben, Phys. Rev. Lett. 98, 203001 (2002).

18. H.F. Hess и др. Phys. Rev. Lett. 59, стр. 672 (1987).

19. C.L. Cesar и D. Kleppner, Phys. Rev. A 59, стр. 4564 (1999).

20. D. Bakalov, E. Milotti, C. Rizzo, A. Vacchi и E. Zavattini, Physics Letters A 172, стр. 277, (1993).

21. F. Kottmann и др., 'Towards a Lamb Shift Measurement in Muonic Hydrogen ", в: 'Quantum Electrodynamics and Physics of the Vacuum' QED 2000, Second Workshop, ed. Giovanni Cantatore, AIP Conf. Proceedings New York 564, стр. 12 (2001).

22. J. Eades and F.J. Hartmann, Rev. Mod. Phys. 71, стр. 373 (1999).

23. M. Amoretti и др., Nature, 419, стр. 456 (2002).

24. G. Gabrielse и др., Phys. Rev. Lett. 89, 213401, (2002).

25. A.D. Kondorsky, L.P. Presnyakov, Laser Phys., 12, стр. 449 (2002).

26. K.R. Vogel и др. Opt. Lett. 26 стр. 102 (2001). Th. Udem и др. Phys. Rev. Lett. 86, стр. 4996 (2001).

27. H.S. Margolis и др., Phys. Rev. A 67, 032501 (2003).

28. J. von Zanthier et al. Opt. Lett 25, стр. 1729 (2000). M. Eichenseer и др., Laser Physics 11, стр. 1117 (2001).

29. J. Stenger, C. Tamm, N. Haverkamp, S. Weyers, and H.R. Telle, Opt. Lett. 26, стр. 1589 (2001).

30. E. Peik и др., E-print: physics/0402132.

31. P.J. Blythe и др., Phys. Rev. A 67, 020501 (2003).

32. B.C. Young, F.C. Cruz, W.M. Itano, and J.C. Berquist, Phys. Rev. Lett. 82, стр. 3799 (1999). R.J. Rafac и др., Phys. Rev. Lett. 85, стр. 2462 (2000).38 39 [404145