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Theoretical Considerations for High-Precision Spectroscopy

Nikoobakht, Behnam

German Title: Theoretische Überlegungen zur Hochpräzisionsspektroskopie

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Abstract

In dieser Arbeit werden mögliche Hochpräzisionsmessungen des g-Faktors von gebundenen 1S Elektronen untersucht und die bedeutendsten systematischen Effekte, die die Hochpr äzisionsspektroskopie im ultravioletten und sichtbaren Spektralband beeinflussen, analysiert. Um den g-Faktor des gebundenen 1S-Elektrons eines in einer Penning-Falle gefangenen 4He Ions zu messen, werden zwei Anregungsschemata, die auf einer doppelresonanten elektronischen Anregung aufbauen, vorgeschlagen. Das erste Anregungsschema beruht auf der Anregung des 1S1/2(mj = +1/2) <-> 2P3/2(mj = +3/2)-Übergangs in einem 4HeIon durch zirkular polarisierte Ultraviolettstrahlung. Der angeregte Zustand 2P3/2(mj = +3/2) geht wegen seiner kurzen Lebenszeit in den Grundzustand über und strahlt dabei ein Fluoreszenzphoton ab. Das Heliumion durchläuft diesen Kreislauf in der Falle und kann dabei jedesmal aufgrund des abgestrahlten Photons nachgewiesen werden. Gleichzeitig löst ein resonantes Mikrowellenfeld eine Umdrehung des Spins aus, was Quantenspr¨unge zwischen 1S1/2(mj = +1/2) und 1S1/2(mj = −1/2) bewirkt und eine Emissionspause des Kreislaufes zur Folge hat. Die Kombination dieser Prozesse ergibt das Resonanzspektrum der Larmorfrequenz und führt zur Messung des g-Faktors des gebundenen 1S-Elektrons eines Heliumions. In dem zweiten Anregungsschema regt UV-Licht ein in einer Penning-Falle gespeichertes Heliumion an. Diese Laseranregung treibt den Zweiphotonen übergang 1S–2S. Bei einem bestimmten Wert des Magnetfelds der Falle werden die Zustände 2S1/2(mj = −1/2) und 2P1/2(mj = 1/2) entartet. Die Anwendung eines zusätzlichen statischen elektrischen Feldes ermöglicht es diese beiden Zustände zu mischen und die Lebenszeit des oberen Zustands 2S1/2(mj = −1/2) zu reduzieren; dies führt zu einem 2S-Elektronenzerfall in den Grundzustand. Der Zweiphotonenübergang zusammen mit dem Mischungsmechanismus bietet einen Kreislauf an und ergibt einen optischen Nachweis des Heliumions in der Falle. Wie im ersten Anregungsschema wird gleichzeitig ein Mikrowellenfeld auf den 1S-Grundzustand eingestrahlt um eine Umdrehung des Spins auszulösen. Dies ergibt das Resonanzspektrum der Larmorfrequenz. Dieses Anregungsschema, das von dem Mischungsmechanismus zusammen mit dem spinumdrehenden Übergang profitiert, f¨uhrt zu der Messung des g-Faktors des gebundenen 1S Elektrons eines Heliumions. Das zweite Angregungsschema wird ebenfalls auf eine Frequenzbestimmung des 1S–2S-Übergangs durch einen dopplerfreien Zweiphotonen¨uebergang in einem Heliumion angewandt. In den obigen Anregungsschemata sind die bedeutendsten systematischen Effekte in Folge der Anwendung dynamischer und statischer elektrischer Felder, das heißt der AC- und der DC-Stark-Effekt, sorgf¨alltig berücksichtigt. Wir verwenden das zweite Anregungsschema und erweitern es auf Rydbergzustände in dem Bereich großer n. Diesbezüglich berechen wir den AC-Stark-Effekt auf Rydbergzust¨ande mit großem n; dies ist der bedeutendste systematische Effekt in der Frequenzbestimmung des 1S–n′S-Übergangs, n′ → ∞. Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit kann der g-Faktor des gebundenen 1S-Elektrons in 4He Ionen mit einem Genauigkeitsgrad von 10^−12 · · · 10^−13 bestimmt werden.

Translation of abstract (English)

This thesis aims at investigating the possibilities of performing high-precision measurements of the 1S bound-electron g factor and analyzing the major systematic effects that influence highprecision spectroscopy in the ultraviolet and visible spectral bands. To measure the 1S boundelectron g factor of a 4He+ ion confined in a Penning trap, two excitation schemes based on a double-resonance electronic excitation are proposed. The first excitation scheme relies on exciting the 1S1/2(mj = +1/2) <-> 2P3/2(mj = +3/2) transition in a 4He+ ion using circularly polarized ultra-violet radiation. The excited state 2P3/2(mj = +3/2) relaxes to the ground state due to its short lifetime and emits a fluorescence photon. The Helium ion in the trap goes through this closed cycle and can be optically detected each time, because of the emitted photons. At the same time, a resonant microwave field produces spin-flip transitions causing quantum jumps between 1S1/2(mj = +1/2) and 1S1/2(mj = −1/2), which results in a pause of the charged particle emission in the closed cycle. These excitation processes yield the resonance spectrum of the Larmor frequency and lead to measuring the 1S bound-electron g factor of a Helium ion. In the second excitation scheme, coherent UV light excites a Helium ion stored in a Penning trap. This laser excitation drives the two-photon transition 1S–2S. At a specific value of the trap magnetic field, the 2S1/2(mj = −1/2) and 2P1/2(mj = 1/2) states become degenerate. Applying an additional static electric field makes it possible to quench these two states and reduce the lifetime of the upper state 2S1/2(mj = −1/2) leading to a 2S electron decay to the ground state. The two-photon transition along with the quenching mechanism provides a closed cycle and results in the optical detection of a Helium ion in the trap. Similar to the first excitation setup, a microwave field is simultaneously radiated to the ground state 1S to induce the spin-flip transition yielding the resonance spectrum of the Larmor frequency. This excitation scheme, which benefits from the quenching mechanism together with the spin-flip transition, leads to the measurement of the 1S bound-electron g factor of the Helium ion. The latter excitation arrangement is also applied to a 1S–2S transition frequency determination via a Doppler-free two-photon transition in a Helium ion. In the excitation schemes above, due to the application of the dynamic and static electric fields, major systematic effects, i.e., the AC and DC Stark shifts, are considered. We use this excitation scheme and extend it to a Rydberg state in the high-n region. In this regard, we calculate the AC Stark shift of high-n Rydberg states, which is the main systematic effect in the 1S–n′S transition frequency determination, n′ → ∞. Based on the findings of this study, the 1S bound-electron g factor in 4He+ ions could be measured with an accuracy level of 10^−12 · · · 10^−13 in the future.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Jentschura, Prof. Dr. Ulrich D.
Date of thesis defense: 7. July 2010
Date Deposited: 16. Aug 2010 12:00
Date: 2010
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute for Theoretical Physics
Subjects: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: Bound state QED , g factor
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