Введение к работе
\ 6 4 / (
Актуальность темы диссертации. Диссертационная работа посвятам возможности использования многоквантовых переходов в системе зсема-новских уровней основного состояния щелочных атомов для измерения магнитного поля. Многоквантовые переходы радиодиапазона в сисісмс магнитных (зеемановских) уровней щелочных атомов были впервые открыты в пучковых экспериментах и в исследованиях паров атомов метолами оптической накачки. В оптике многофотонные (многоквантовые) перехо.пл наблюдались лишь после изобретения лазера. Они вскоре нашли применение в технике под-доплеровской спектроскопии высокого разрешения встречных пучков [1], для генерации гармоник [2]. для многофоіонноіі ионизации атомов [3].
Однако, для измерения магнитного поля, многоквантовые переходы радиодиапазона до настоящего времени не применялись. Основная причина этого - предполагаемый значительный полевой сдвиг резонансов. поскольку интенсивность возбуждающего переходы переменного поля в десятки и сотни раз превышает обычно используемую, что приводит к сдвигу частоты переходов. Однако можно показать, что многоквантовый резонанс наивысшего порядка между крайними магнитными уровнями сверхтонкого состояния щелочного атома в достаточно малой степени подвержен сдвигу. частоты. Кроме того, данный резонанс при оптимальных условиях имеет наибольшую крутизну, что обеспечивает его преимущество в разрешающей способности при построении высокочувствительного магнитометра.
В многоуровневых системах, взаимодействующих с одним или несколькими интенсивными полями, могут наблюдаться коїереншьіе мпою-квантовые эффекты, которые не находят объяснения в рамках двухуровневого приближения. Простейший пример представляет собой явление коїе-рентного пленения населённости в трёхуровневой системе, см.. например. [5]. Другим примером могут служить многоквантовые переходы, когда лва уровня системы оказываются связанными друг с другом посредством взаимодействия с поглощением (испусканием) нескольких квантов поля. ! акие переходы, в общем случае, нельзя представить в виде поелсдова гсл ыю происходящих одноквантовых переходов [4].
Обычно взаимодействие электромагнитного поля и многоуровневой системы с неэквидистантным набором уровней рассматривается в двухуровневом приближении. При этом из всего набора уровней выбирают только два, квазирезонансно взаимодействующих с полем, пренебрегая оставшимися уровнями. В ряде случаев такое рассмотрение неприменимо, и корректное описание требует учёта всех уровней, вовлеченных во взаимодействие с полем, и всех когерентностей, вызываемых в многоуровневой системе. Такое, более полное, рассмотрение необходимо, когда частота перехода между данной парой уровней близка (с точностью до ширины уровня) частоте перехода между другими уровнями системы, или, когда взаи-
3 О» Ю$гяа(Уг%
модействие становится настолько сильным, что вызывает многоквантовые переходы. В данной работе разработан метод расчета спектра многоквантовых переходов в основном состоянии щелочного атома в условиях оптической накачки без привлечения теории возмущения.
Многоквантовые переходы четного порядка, связывающие уровни с квантовыми числами mp=-N и m/-'=+N, обладают одной особенностью, привлекательной для использования в эксперименте по поиску нарушающего Г-инвариантность взаимодействия в ядре цезия (поиск постоянного электродипольного момента ядра). В этом эксперименте измеряется сдвиг частоты магнитного резонанса под действием сильного постоянного электрического поля, который маскируется сигналом, связанным с тензорной поляризуемостью ядра (5 - mh 2). Оказывается [6], в этом случае происходит полное устранение паразитного сдвига, поскольку сдвиг энергии 8Е для данной пары уровней одинаков. Все вышесказанное позволяет считать тему настоящей диссертации актуальной.
Целью работы является доказательство возможности применения многоквантовых резонансов в магнитной структуре основного состояния атомов щелочной группы для-измерения модуля магнитного поля. Для решения данной задачи потребовалось разработать метод расчёта полного спектра многоквантовых переходов в условиях оптической накачки без использования теории возмущения. В цель работы также входит теоретическое и экспериментальное сравнение разрешающей способности многокванговыч резонансов различных порядков, а также исследование характеристик макета магнитометра на основе четырёхквантового резонанса в калии.
Научная новизна заключается в следующем:
Без использования теории возмущений решена задача о стационарном распределении населённостей многоуровневой системы (с числом уровней 6, 8, 16) атома щелочной группы в условиях магнитного резонанса и оптической накачки. Рассчитаны величины сдвига и крутизны сигналов многоквантовых резонансов для 39К, 6Li и l33Cs. Найдены условия, при которых многоквантовый резонанс высшего порядка имеет наилучшую предельную разрешающую способность, а полевой сдвиг мал и сравним по величине со сдвигом одноквантового резонанса; показано, что его частота линейно зависит от индукции магнитного поля, а сдвиг, вызванный переносом когерентности, отсутствует.
Впервые в магнитном поле земного диапазона наблюдался полный спектр многоквантовых переходов в 39К. Эксперимент показал, что при оптимальных условиях калиевый 4-квантовый резонанс становится доминирующим и может быть использован как репер магнитного поля для магнитометра Л/--типа.
Построен макет магнитометра-тандема на основе 4-квантового резонанса в калии с общей ячейкой. Исследованы его рабочие характеристики.
показано сочетание высокой чувствительности и точносш (низкой абсолютной погрешности).
Практическая ценность. Исследование динамики чноіоурошіені.іч систем, находящихся под действием интенсивного возмущения, пре.ісіпи-ляет интерес для задач квантовой магнитометрии и спектроскопии снср\-высокого разрешения. В промышленно развитых странах постоянно ие.і\ і-ся работы по повышению чувствительности и снижению абсолютом погрешности магнитометров. Разрешающая способность (чувствительное 11.) магнитометра определяется шириной линии и отношением сигнал-шум. Дробовый шум света накачки в настоящее время является пределом, и. практически (в приборном исполнении), вряд ли может быть сделай меньше. Единственным путём повышения чувствительности остаётся увеличение сигнала или снижение ширины линии. Многоквантовый резонанс порядка N имеет предельную ширину в N раз меньшую, чем обычно используемый одноквантовый резонанс. Малая величина полевого сдвиїа зюіо резонанса фактически не ограничивает точность магнитометра. Маке і маї-нитометра-тандема, основанный на 4-квантовом резонансе в калии, показал возможность создания высокоточного стационарно размещаемою прибора.
