Experimental verification of hyperfine interactions using highly charged ions in a low magnetic field

本課題は、孤立多価イオンの脱励起ダイナミクスの実験観測を通じて、電子と原子核の間に働くごく小さな超微細相互作用を研究することを目指している。2022年度は、理化学研究所の極低温静電イオン蓄積リング(RICE)において、本研究のマシンタイムを3週間ほど確保し、ネオン様塩素多価イオンCl7+の実験を行った。ネオン様多価イオンは、第三励起微細構造準位に準安定状態3P0を有する。本準位にポピュレートされたイオンは、核スピンをもつ場合に限り、例外的に早い超微細誘起遷移によって基底状態1S0へと直接脱励起することが、計算によって予測されており、その遷移レートは超微細相互作用を研究する有用なプローブである。しかし、外部磁場誘起による脱励起の寿命も非常に早く、強磁場環境下では超微細誘起遷移を正しく評価することは不可能であった。本実験では、磁場を用いないイオントラップ装置であるRICE中にCl7+を20ミリ秒間捕捉し、極端紫外光検出器で捕捉イオンからの発光を時間分解計測して、捕捉時間に対する準安定状態3P0の減衰を観測した。また、質量数35(76%)と質量数37(24%)のCl7+を別けて実験を行い、同位体間で異なる減衰を示していることも確認された。これは、核磁気モーメントの違いに起因する超微細誘起遷移特有の差異であり、目的の遷移の観測に成功したことを裏付けるものである。今後、測定データを詳細に解析し、準安定状態寿命および遷移レートの導出を行う。また関連研究として、比較的弱い磁場で運転できる小型電子ビームイオントラップを用いた多価イオン分光実験を推進している。本年度、本課題の採択前に我々が実証した疑似ゼーマンフリー分光を応用し、多価イオン時計遷移候補の超微細構造分裂を世界で初めて観測した。さらに、我々が過去に実証したプラズマアシストレーザー分光を寿命測定に応用できることも新たに実証した。

本課題は、孤立多価イオンの脱励起ダイナミクスの実験観測を通じて、電子と原子核の間に働くごく小さな超微細相互作用を研究することを目指している。2022年度は、理化学研究所の極低温静電イオン蓄積リング(RICE)において、本研究のマシンタイムを3週間ほど確保し、ネオン様塩素多価イオンCl7+の実験を行った。ネオン様多価イオンは、第三励起微細構造準位に準安定状態3P0を有する。本準位にポピュレートされたイオンは、核スピンをもつ場合に限り、例外的に早い超微細誘起遷移によって基底状態1S0へと直接脱励起することが、計算によって予測されており、その遷移レートは超微細相互作用を研究する有用なプローブである。しかし、外部磁場誘起による脱励起の寿命も非常に早く、強磁場環境下では超微細誘起遷移を正しく評価することは不可能であった。本実験では、磁場を用いないイオントラップ装置であるRICE中にCl7+を20ミリ秒間捕捉し、極端紫外光検出器で捕捉イオンからの発光を時間分解計測して、捕捉時間に対する準安定状態3P0の減衰を観測した。また、質量数35(76%)と質量数37(24%)のCl7+を別けて実験を行い、同位体間で異なる減衰を示していることも確認された。これは、核磁気モーメントの違いに起因する超微細誘起遷移特有の差異であり、目的の遷移の観測に成功したことを裏付けるものである。今後、測定データを詳細に解析し、準安定状態寿命および遷移レートの導出を行う。また関連研究として、比較的弱い磁場で運転できる小型電子ビームイオントラップを用いた多価イオン分光実験を推進している。本年度、本課題の採択前に我々が実証した疑似ゼーマンフリー分光を応用し、多価イオン時計遷移候補の超微細構造分裂を世界で初めて観測した。さらに、我々が過去に実証したプラズマアシストレーザー分光を寿命測定に応用できることも新たに実証した。