基于退相干辅助光谱技术的镁25离子D1、D2线精密光谱测量

Precision measurement of magnesium ions D1 and D2 lines transition frequencies has great importance in using quasar spectra to check whether the fine structure constant varies with time. The imprecision of different isotope frequency measurement has been identified as an important source of systematic uncertainties in the many multiplet analysis for fine structure constant variation study. The best solution is to trap magnesium ions in ion traps, and to use laser to cool the ions to reduce Doppler shift. At the moment the best measurement uncertainty is 5 MHz, limited by the probe laser linewidth. In order to further improve the measurement precision, we propose to lock the probe laser to an ultrastable reference cavity to reduce the laser linewidth to 1 kHz, and use decoherence assisted spectroscopy to measure 25Mg+ D1 and D2 transition frequencies with uncertainty of 100 kHz. Because 25Mg+ has hyperfine structure, in order to reduce systematic uncertainty, we will use the same ion trap to measurement the 25Mg+ ground state hyperfine structure with microwave resonance technique, with expected uncertainty of 10 Hz. The result of our measurement can serve as reference data for fine structure constant time variation study.

镁离子D1、D2线的精密测量在利用类星体光谱研究精细结构常数是否随时间变化上有重要意义，特别是镁同位素位移测量是多元素多线法测量精细结构常数随时间变化的主要误差来源。最好的解决方案是利用离子阱囚禁镁离子，利用激光冷却来减小多普勒频移。目前国际上对镁25离子D1、D2线的测量准确度为5 MHz，主要受限于探测激光线宽。为了进一步提高测量准确度，我们提出将探测激光锁定到超稳腔上，压窄线宽至1 kHz，再采用退相干辅助光谱技术测量镁25离子D1、D2线跃迁频率，预期准确度100 kHz。由于镁25离子有超精细能级结构，为了减小系统误差，我们将在同一套离子阱系统中利用微波共振方法测量镁25离子的基态超精细能级分裂，预期准确度10 Hz。利用我们测量的数据作为标准参考数据可以极大地推动精细结构常数变化测量的研究。

原子谱线的精密光谱测量在原子结构和基本物理常数是否随时空变化的研究中具有重要作用，其中镁离子的跃迁谱线作为类星体光谱中研究精细结构常数是否随时间变化的重要参考基线，具有非常重要的研究意义。同时镁的原子质量为24、25、26的三种同位素可以用于同位素频移理论的研究。其中镁25离子具有超精细能级分裂，谱线结构更加复杂，退相干辅助光谱的技术充分利用其超精细能级分裂和激发态自发辐射的退相干信号来获得高信噪比的镁离子跃迁谱线。我们利用此方案测量得到了镁25离子的D1、D2线跃迁频率不确定度，分别达到了200 kHz和700 kHz，同时获得了磁偶极和电四极常数的值，其与理论值在误差范围内吻合，验证了当前精度下的同位素频移实验值与理论值的一致性。同时，我们测量了基态的超精细能级的微波跃迁，其不确定度为4.2 Hz。以上研究结果对天文物理光谱学、同位素频移理论、原子结构理论的研究有着重要的参考价值。