Лазерно-мікрохвильовий спектрометр та спектроскопія атомів цинку в триплетних рідбергівських станах

Лазерно-мікрохвильовий спектрометр та спектроскопія атомів цинку в триплетних рідбергівських станах

Предмет і мета роботи: Предметом досліджень є атоми цинку в триплетних рідбергівських станах. Метою роботи є створення лазерно-мікрохвильового спектрометра для вимірювання частот переходів між триплетними рідбергівськими станами атома Zn I, вимірювання частот двофотонних переходів між триплетними n³...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Радіофізика і радіоастрономія
Date:2019
Main Authors: Погребняк, М.Л., Дюбко, С.П., Алєксеєв, Є.А., Перепечай, М.П., Ткачев, А.І., Власенко, С.
Format: Article
Language:Ukrainian
Published: Радіоастрономічний інститут НАН України 2019
Subjects:
Радіоспектроскопія
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167770
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Лазерно-мікрохвильовий спектрометр та спектроскопія атомів цинку в триплетних рідбергівських станах / М.Л. Погребняк, С.П. Дюбко, Є.А. Алєксеєв, М.П. Перепечай, А.І. Ткачев, С.О. Власенко // Радіофізика і радіоастрономія. — 2019. — Т. 24, № 4. — С. 272-284. — Бібліогр.: 32 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-167770
record_format dspace
spelling Погребняк, М.Л.
Дюбко, С.П.
Алєксеєв, Є.А.
Перепечай, М.П.
Ткачев, А.І.
Власенко, С.
2020-04-08T17:20:28Z
2020-04-08T17:20:28Z
2019
Лазерно-мікрохвильовий спектрометр та спектроскопія атомів цинку в триплетних рідбергівських станах / М.Л. Погребняк, С.П. Дюбко, Є.А. Алєксеєв, М.П. Перепечай, А.І. Ткачев, С.О. Власенко // Радіофізика і радіоастрономія. — 2019. — Т. 24, № 4. — С. 272-284. — Бібліогр.: 32 назв. — укр.
1027-9636
PACS number: 07.57.Pt
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167770
539.1.078; 539.184
DOI: https://doi.org/10.15407/rpra24.04.272
Предмет і мета роботи: Предметом досліджень є атоми цинку в триплетних рідбергівських станах. Метою роботи є створення лазерно-мікрохвильового спектрометра для вимірювання частот переходів між триплетними рідбергівськими станами атома Zn I, вимірювання частот двофотонних переходів між триплетними n³F₃→(n + 1)³F₃ станами Zn I, визначення на основі отриманих експериментальних даних параметрів квантового дефекту для вказаних термів атома цинку.
Предмет и цель работы: Предмет исследований – атомы цинка в триплетных ридберговских состояниях. Цели работы: создание лазерно-микроволнового спектрометра для измерения частот переходов между триплетными ридберговскими состояниями атома Zn I, измерение частот двухфотонных переходов между триплетными n³F₃→(n + 1)³F₃ состояниями, определение на основе полученных экспериментальных данных параметров квантового дефекта для указанных переходов атома цинка.
Purpose: Zinc atom in the triplet Rydberg states is the investigation subject. Purposes of the work are the following: design of a laser-microwave spectrometer intended for measuring the transition energies between the Zn I atom triplet Rydberg states, measurements of the two-photon transition frequencies between the triplet n³F₃→(n + 1)³F₃ states, determination of quantum defect parameters for the mentioned zinc atom transitions on the obtained experimental data basis.
uk
Радіоастрономічний інститут НАН України
Радіофізика і радіоастрономія
Радіоспектроскопія
Лазерно-мікрохвильовий спектрометр та спектроскопія атомів цинку в триплетних рідбергівських станах
Лазерно-микроволновый спектрометр и спектроскопия атомов цинка в триплетних ридберговских состояниях
Laser-Microwave Spectrometer and Spectroscopy of Zinc Atom in Triplet Rydberg States
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Лазерно-мікрохвильовий спектрометр та спектроскопія атомів цинку в триплетних рідбергівських станах
spellingShingle Лазерно-мікрохвильовий спектрометр та спектроскопія атомів цинку в триплетних рідбергівських станах
Погребняк, М.Л.
Дюбко, С.П.
Алєксеєв, Є.А.
Перепечай, М.П.
Ткачев, А.І.
Власенко, С.
Радіоспектроскопія
title_short Лазерно-мікрохвильовий спектрометр та спектроскопія атомів цинку в триплетних рідбергівських станах
title_full Лазерно-мікрохвильовий спектрометр та спектроскопія атомів цинку в триплетних рідбергівських станах
title_fullStr Лазерно-мікрохвильовий спектрометр та спектроскопія атомів цинку в триплетних рідбергівських станах
title_full_unstemmed Лазерно-мікрохвильовий спектрометр та спектроскопія атомів цинку в триплетних рідбергівських станах
title_sort лазерно-мікрохвильовий спектрометр та спектроскопія атомів цинку в триплетних рідбергівських станах
author Погребняк, М.Л.
Дюбко, С.П.
Алєксеєв, Є.А.
Перепечай, М.П.
Ткачев, А.І.
Власенко, С.
author_facet Погребняк, М.Л.
Дюбко, С.П.
Алєксеєв, Є.А.
Перепечай, М.П.
Ткачев, А.І.
Власенко, С.
topic Радіоспектроскопія
topic_facet Радіоспектроскопія
publishDate 2019
language Ukrainian
container_title Радіофізика і радіоастрономія
publisher Радіоастрономічний інститут НАН України
format Article
title_alt Лазерно-микроволновый спектрометр и спектроскопия атомов цинка в триплетних ридберговских состояниях
Laser-Microwave Spectrometer and Spectroscopy of Zinc Atom in Triplet Rydberg States
description Предмет і мета роботи: Предметом досліджень є атоми цинку в триплетних рідбергівських станах. Метою роботи є створення лазерно-мікрохвильового спектрометра для вимірювання частот переходів між триплетними рідбергівськими станами атома Zn I, вимірювання частот двофотонних переходів між триплетними n³F₃→(n + 1)³F₃ станами Zn I, визначення на основі отриманих експериментальних даних параметрів квантового дефекту для вказаних термів атома цинку. Предмет и цель работы: Предмет исследований – атомы цинка в триплетных ридберговских состояниях. Цели работы: создание лазерно-микроволнового спектрометра для измерения частот переходов между триплетными ридберговскими состояниями атома Zn I, измерение частот двухфотонных переходов между триплетными n³F₃→(n + 1)³F₃ состояниями, определение на основе полученных экспериментальных данных параметров квантового дефекта для указанных переходов атома цинка. Purpose: Zinc atom in the triplet Rydberg states is the investigation subject. Purposes of the work are the following: design of a laser-microwave spectrometer intended for measuring the transition energies between the Zn I atom triplet Rydberg states, measurements of the two-photon transition frequencies between the triplet n³F₃→(n + 1)³F₃ states, determination of quantum defect parameters for the mentioned zinc atom transitions on the obtained experimental data basis.
issn 1027-9636
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167770
citation_txt Лазерно-мікрохвильовий спектрометр та спектроскопія атомів цинку в триплетних рідбергівських станах / М.Л. Погребняк, С.П. Дюбко, Є.А. Алєксеєв, М.П. Перепечай, А.І. Ткачев, С.О. Власенко // Радіофізика і радіоастрономія. — 2019. — Т. 24, № 4. — С. 272-284. — Бібліогр.: 32 назв. — укр.
work_keys_str_mv AT pogrebnâkml lazernomíkrohvilʹoviispektrometrtaspektroskopíâatomívcinkuvtripletnihrídbergívsʹkihstanah
AT dûbkosp lazernomíkrohvilʹoviispektrometrtaspektroskopíâatomívcinkuvtripletnihrídbergívsʹkihstanah
AT alêkseêvêa lazernomíkrohvilʹoviispektrometrtaspektroskopíâatomívcinkuvtripletnihrídbergívsʹkihstanah
AT perepečaimp lazernomíkrohvilʹoviispektrometrtaspektroskopíâatomívcinkuvtripletnihrídbergívsʹkihstanah
AT tkačevaí lazernomíkrohvilʹoviispektrometrtaspektroskopíâatomívcinkuvtripletnihrídbergívsʹkihstanah
AT vlasenkos lazernomíkrohvilʹoviispektrometrtaspektroskopíâatomívcinkuvtripletnihrídbergívsʹkihstanah
AT pogrebnâkml lazernomikrovolnovyispektrometrispektroskopiâatomovcinkavtripletnihridbergovskihsostoâniâh
AT dûbkosp lazernomikrovolnovyispektrometrispektroskopiâatomovcinkavtripletnihridbergovskihsostoâniâh
AT alêkseêvêa lazernomikrovolnovyispektrometrispektroskopiâatomovcinkavtripletnihridbergovskihsostoâniâh
AT perepečaimp lazernomikrovolnovyispektrometrispektroskopiâatomovcinkavtripletnihridbergovskihsostoâniâh
AT tkačevaí lazernomikrovolnovyispektrometrispektroskopiâatomovcinkavtripletnihridbergovskihsostoâniâh
AT vlasenkos lazernomikrovolnovyispektrometrispektroskopiâatomovcinkavtripletnihridbergovskihsostoâniâh
AT pogrebnâkml lasermicrowavespectrometerandspectroscopyofzincatomintripletrydbergstates
AT dûbkosp lasermicrowavespectrometerandspectroscopyofzincatomintripletrydbergstates
AT alêkseêvêa lasermicrowavespectrometerandspectroscopyofzincatomintripletrydbergstates
AT perepečaimp lasermicrowavespectrometerandspectroscopyofzincatomintripletrydbergstates
AT tkačevaí lasermicrowavespectrometerandspectroscopyofzincatomintripletrydbergstates
AT vlasenkos lasermicrowavespectrometerandspectroscopyofzincatomintripletrydbergstates
first_indexed 2025-11-26T03:41:38Z
last_indexed 2025-11-26T03:41:38Z
_version_ 1850610415420047360
fulltext ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 24, № 4, 2019272 Радіофізика і радіоастрономія. 2019, Т. 24, № 4, c. 272–284 ÐÀIJÎÑÏÅÊÒÐÎÑÊÎÏ²ß М. Л. ПОГРЕБНЯК 1,2, С. П. ДЮБКО 1,2, Є. А. АЛЄКСЕЄВ 1,2, М. П. ПЕРЕПЕЧАЙ 2, А. І. ТКАЧЕВ 2, С. О. ВЛАСЕНКО 2 1 Радіоастрономічний  інститут НАН України,   вул. Мистецтв, 4, м. Харків, 61002, Україна   E-mail: ealekseev@rian.kharkov.ua 2 Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна,   м. Свободи, 4, м. Харків, 61022, Україна   E-mail: nikp@i.ua ËÀÇÅÐÍÎ-̲ÊÐÎÕÂÈËÜÎÂÈÉ ÑÏÅÊÒÐÎÌÅÒÐ ÒÀ ÑÏÅÊÒÐÎÑÊÎÏ²ß ÀÒÎ̲ ÖÈÍÊÓ Â ÒÐÈÏËÅÒÍÈÕ Ð²ÄÁÅÐòÂÑÜÊÈÕ ÑÒÀÍÀÕ Предмет і мета роботи: Предметом досліджень є атоми цинку в триплетних рідбергівських станах. Метою роботи є створення лазерно-мікрохвильового спектрометра для вимірювання частот переходів між триплетними рідбергівськи- ми станами атома Zn I, вимірювання частот двофотонних переходів між триплетними  3 3 3 3n F ( n 1) F   станами Zn I, визначення на основі отриманих експериментальних даних параметрів квантового дефекту для вказаних термів атома цинку. Методи і методологія: Пучок нейтральних теплових атомів цинку формується всередині дослідної камери за допомогою печі Кнудсена та системи діафрагм. Потім системою лазерного збудження виконується селективне багатоступеневе переведення нейтральних атомів у задані рідбергівські стани, що є початковими для взаємодії з мікрохвильовим випромі- нюванням. Зондування досліджуваних переходів здійснюється за допомогою сканування частоти синтезатора мікрохвиль- ового діапазону. Мікрохвильове поглинання атомів реєструється за значенням іонізаційного струму, що викликається електричним полем з точно визначеною напруженістю (метод польової іонізації). Застосування системи реєстрації з часовою селекцією корисного сигналу дозволило на два порядки підвищити чутливість спектрометра. Широке застосу- вання оптоелектронних і трансформаторних розв’язок суттєво покращило завадостійкість спектрометра. Результати: Створено лазерно-мікрохвильовий спектрометр, за допомогою якого в діапазоні від 76000 до 120000 МГц виконано  вимірювання  частот  двофотонних  переходів  між  рідбергівськими  триплетними  станами  атома  Zn I. Надійно ідентифіковано чотири мікрохвильових рідбергівські переходи  3 3 3 3n F ( n 1) F   в діапазоні головного кванто- вого числа n від 30 до 34. За результатами аналізу експериментальних даних отримано параметри квантового дефек- ту в формулі Рітца. Висновок: Виконано вимірювання частот двофотонних  F F  переходів між триплетними станами з головним кван- товим числом  .n 30 34   За результатами аналізу отриманих даних знайдено значення коефіцієнтів для розрахунку квантового дефекту  0 0.0295152(20)   та  2 0.0692(12)    для  3 3F  термів цинку.. Ключові слова: атом цинку, рідбергівські стани атомів, спектрометр, лазерне збудження, триплетні стани, мікрохви- льовий діапазон DOI:  https://doi.org/10.15407/rpra24.04.272 УДК  539.1.078;  539.184 PACS  number:  07.57.Pt 1. Âñòóï Атоми в рідбергівських станах є атомами в їх ви- сокозбуджених  енергетичних  станах,  які  через великі розміри надзвичайно чутливі до присутності зовнішніх полів, зіткнень і процесів іонізації [1, 2]. Властивості  рідбергівських  атомів  перебувають під інтенсивним дослідженням (див., наприклад, [3–5]) як джерело цінної інформації для атомної фізики,  квантової  механіки  та  астрофізики. Рідбергівські атоми були знайдені в міжзоряному середовищі, де радіочастотні і мікрохвильові пе- реходи між рідбергівськими станами відповідають радіаційній рекомбінації низькоенергетичних елек- тронів та іонів [6, 7]. Властивості динаміки рідбер- гівських атомів, які можуть бути надзвичайно по- вільними щодо часової роздільної здатності над- швидкої лазерної спектроскопії, були використані для виявлення зв’язку між стаціонарним описом квантових хвильових функцій та класичною орбі- тальною динамікою електронних хвильових па- кетів навколо атомних іонів [8]. Крім того, завдя- ки тривалому часу життя і величезному електрич- ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 24, № 4, 2019 273 Лазерно-мікрохвильовий спектрометр та спектроскопія атомів цинку в триплетних рідбергівських станах ному дипольному моменту рідбергівських атомів у високодобротному резонаторі вдалося виконати підрахунок мікрохвильових фотонів, що дозволило реалізувати квантову неруйнівну взаємодію [9, 10]. Тобто  в  цілому  рідбергівські  атоми  є  цікавими об’єктами для спектроскопічного дослідження в різних частотних областях. Вивчення  властивостей  атомів  в  рідбергівсь- ких  станах  зазвичай  виконується  методами  оп- тичної  спектроскопії  й  лише  іноді  методами мікрохвильової  спектроскопії.  А  між  тим  саме застосування  методів  мікрохвильової  спектро- скопії дозволяє підвищити точність вимірювань частот переходів на три-чотири порядки порівня- но  з  методами  оптичної  спектроскопії  високої роздільної здатності. Одним з важливих завдань цих досліджень є знаходження значення кванто- вого  дефекту.  Наразі  із  застосуванням  методів мікрохвильової спектроскопії в лабораторних умо- вах  вже  відносно  добре  вивчені  атоми  з  одним валентним електроном, такі як Na, Li, Rb, Cs, Ag, Au (див., наприклад, [3, 4, 11–14] та посилання в них). Меншою мірою досліджено атоми з двома валентними електронами, Ca, Mg, Ba, Sr [15–19]. Дослідженню рідбергівських станів цинку при- свячено кілька робіт, переважно в інфрачервоно- му та оптичному діапазонах. Робота [20] викона- на з використанням спеціально створеної лампи з порожнистим катодом, що дозволило отримати інформацію про F, G, H, J терми, а також деякі додаткові терми до вже відомих серій триплетної системи. Серед великої кількості ретельно вико- наних  вимірювань  слід  зазначити  роботу  [21], автори якої в діапазоні 1300 2000 Å  зареєстру- вали та ідентифікували багато поглинальних пе- реходів зі значеннями головного квантового чис- ла  66.n   В роботі [22] вдалося знайти значення квантового дефекту для цілої низки термів, а та- кож визначити дипольну поляризованість для іону цинку. Автори роботи [23] отримали нові експе- риментальні дані про енергії термів та квантові дефекти триплетних парних станів цинку з вико- ристанням двоступеневої схеми лазерного збуд- ження у поєднанні з термоіонним діодним детек- тором. В роботі [24] наводяться експериментальні дані про високозбуджені стани цинку в енергетич- ному діапазоні  174625 75740 см  з використан- ням двоступеневої схеми резонансного лазерно- го збудження та збудження спонтанною емісією на  другому  ступені  у  поєднанні  з  термоемісій- ним діодним детектором іонів. В роботі [25] вико- нано дослідження цинку в станах з  8n   за до- помогою техніки фур’є-спектроскопії в діапазоні 11300 6500 см   при  використанні  лазерної  аб- ляції, але стани з такими значеннями головного квантового  числа  n  все  ж  не  слід  відносити  до рідбергівських. Зауважимо, що для всіх переліче- них вище досліджень характерні похибки вимі- рювань довжини хвилі складали   10.1 0.2 см  (що відповідає похибкам вимірювання частот близь- ко  3000 6000 МГц). Нещодавно  мікрохвильові  спектри  синглетних рідбергівських  станів  атомів  цинку  вивчалися в роботі [26]. Проте будь-якої інформації з приводу дослідження триплетних станів атомів цинку з вико- ристанням  методів  мікрохвильової  спектроскопії нами не знайдено. Відсутність вимірювань частот переходів  між  триплетними  рідбергівськими  ста- нами у мікрохвильовому діапазоні та бажання сут- тєво підвищити точність вимірювань були для нас основними мотивами для виконання цієї роботи. Лазерно-мікрохвильові спектрометри для дос- лідження спектрів рідбергівських станів деяких атомів  було  спроектовано  та  побудовано  нами у Харківському національному університеті імені В.  Н.  Каразіна  та  у  Радіоастрономічному  інсти- туті НАН України [27]. Такі спектрометри мають суттєву  особливість  –  для  кожного  атома  необ- хідно створювати свою унікальну систему лазер- ного  збудження,  а  також  систему  формування пучка нейтральних атомів. Навіть вивчення різних серій  переходів  потребує  суттєвої  модифікації лазерної системи збудження. На практиці це оз- начає,  що  дослідження  кожного  нового  атома передбачає розробку та створення фактично но- вого спектрометра. У цій статті ми наводимо опис спектрометра, а також перші результати, що от- римані при дослідженні атомів Zn I у триплетних рідбергівських станах. 2. Çàãàëüíà êîíöåïö³ÿ ðîáîòè ñïåêòðîìåòðà àòîì³â Zn I ó òðèïëåòíèõ ð³äáåðã³âñüêèõ ñòàíàõ Робота  лазерно-мікрохвильового  спектрометра для дослідження спектрів атомів у рідбергських станах має низку суттєвих особливостей. Пере- дусім  необхідне  джерело  вільних  нейтральних атомів. Потім такі атоми переводяться до рідбер- гівських станів за допомогою селективного імпуль- 274 ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 24, № 4, 2019 М. Л. Погребняк  та ін. сного лазерного збудження. Зазвичай для цієї мети застосовують два або три лазера, що працюють синхронно. Слід зазначити, що об’єкт досліджен- ня – атом у рідбергівському стані – існує протя- гом дуже короткого часу: близько декількох мікро- секунд. Хоча переходи між рідбергівськими ста- нами досліджуються з безперервним мікрохвильо- вим випромінюванням, наявність атомної абсорбції виявляється за допомогою іонізації електростатич- ним імпульсом з фіксованою напруженістю поля, яка є достатньою для  іонізації лише атомів, що перебувають на верхньому енергетичному рівні досліджуваного  переходу.  У  разі  виникнення мікрохвильового поглинання завдяки переходам між рідбергівськими станами населеність верхнь- ого рівня значно зростає, тому при прикладанні іоні- заційного імпульсу з’являються вільні електрони. Ці електрони виявляються за допомогою каналь- ного помножувача електронів, відомого також як каналотрон [28]. Таким чином, поглинання мікрох- вильового випромінювання супроводжується по- явою іонізаційного струму. Атоми у рідбергівських станах  існують дуже короткий  час,  а  всі  корисні  сигнали  є  за  своєю природою  імпульсними  сигналами.  Крім  того, тривалість  корисного  сигналу  не  перевищує 100 150 нс   при  тому,  що  його  початок  зазнає часову нестабільність (аж до  25 нс),  яка силь- но залежить від умов експерименту. Враховуючи те, що імпульсні лазери з модуляторами доброт- ності та джерелом іонізаційного  імпульсу ство- рюють  багато  потужних  завад,  можна  зробити висновок,  що  спостереження  мікрохвильових спектрів  рідбергівських  атомів  є  надзвичайно складним  завданням. 3. Cèñòåìà ëàçåðíîãî çáóäæåííÿ àòîì³â Zn I ó òðèïëåòí³ ð³äáåðã³âñüê³ ñòàíè Єдиним надійним методом отримання  атомів  у рідбергівських  станах  із  заданими  квантовими числами (в тому числі і з дуже високими) є кас- кадне  лазерне  збудження.  Система  лазерного збудження  як  частина  спектрометра  налашто- вується індивідуально для кожного атома і навіть до кожної серії переходів у атомі. Зазвичай сис- тема збудження спектрометра складається з “си- лового”  лазера,  випромінювання  або  гармоніка якого здійснює накачування декількох лазерів на барвниках з перестроюванням частоти. Саме зав- дяки такому перестроюванню і здійснюється се- лективне накачування необхідних рідбергівських станів. Для розширення діапазону робочих частот використовується помноження частоти або отри- мання  сумарних  частот  лазера  з  перестроюван- ням та з фіксованою частотою випромінювання за допомогою нелінійних оптичних кристалів. В нашому спектрометрі селективне збудження рідбергівських  станів  забезпечується  лазерами на барвниках  з помноженням частоти. У якості “силового”  використано  лазер  на  YAG: 3Nd    з ламповим накачуванням у режимі модуляції доб- ротності (поляризаційний модулятор на кристалі DKDP, на який надходить короткий імпульс на- пруги амплітудою до 5000 В та тривалістю фрон- ту імпульсу не більше 20 нс). Імпульс лазера має такі параметри: енергія –  40 мДж,  тривалість – 15 нс,   частота  повторів  –  до  20 Гц.  Перетво- рення основного випромінювання лазера з довжи- ною хвилі 1064 нм у випромінювання, необхідне для накачування лазерів на барвниках (532 нм), відбувається в кристалі ніобату літію з темпера- турним підстроюванням умов синхронізму. Ефек- тивність перетворення енергії основного випромі- нювання у другу гармоніку сягає  20 %. Число каскадів лазерного  збудження обумов- лене схемою енергетичних рівнів досліджуваних атомів та правилами відбору для дипольних пе- реходів. Збудження триплетних рівнів атомів цин- ку  можна  реалізувати  кількома  способами.  Ми використовували трьохкаскадну лазерну систему збудження в  3 jn F   стани  за  схемою 307.68 нм 330.35 нм1 3 0 14 4S P   769 778.68 нм3 3 2 2,3,44 ,D n F  схематично зображеною на рис. 1. У процесі збуд- ження використовуються три лазери на барвниках з  поперечним  накачуванням  випромінюванням другої гармоніки YAG: 3Nd   лазера. Лазер першо- го каскаду збудження працював на суміші барв- ників R610+R640 в етанолі з фіксованою довжи- ною хвиль випромінювання 615.36 нм. За допомо- гою кристала KDP було отримано другу гармоні- ку з довжиною хвилі 307.68 нм. Другий каскад збудження  –  лазер  з  барвником  DCM  в  етанолі з фіксованою довжиною хвилі випромінювання 660.7 нм та генератором другої гармоніки в крис- талі KDP – дозволив отримати випромінювання з потрібною довжиною хвилі 330.35 нм. У третьо- ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 24, № 4, 2019 275 Лазерно-мікрохвильовий спектрометр та спектроскопія атомів цинку в триплетних рідбергівських станах му каскаді збудження ми використовували добре зарекомендований барвник LDS 751 в диметил- сульфоксиді. Використання полярного розчинника (диметилсульфоксиду) дало змогу зрушити сму- гу генерації барвника у бік нижчих частот. Завдя- ки перестроюванню довжини хвилі випромінюван- ня лазера третього ступеня збудження в діапазоні 769 778 нм  ми обираємо конкретний стартовий рівень для мікрохвильового накачування. 4. Îïèñ ñïåêòðîìåòðà Функціональна схема спектрометра зображена на рис. 2. Пучок досліджуваних нейтральних тепло- вих атомів утворюється за умов глибокого вакуу- му всередині дослідної камери за допомогою печі Кнудсена і формується системою діафрагм. Атом- ний пучок виходить при ефузії атомів з розігрітої комірки та поширюється в камері з тиском залиш- кових газів не більше ніж  510 мм рт. ст.  Типоваа щільність атомів у області взаємодії  7 3~ 10 см . На рис. 2 атомний пучок є перпендикулярним до площини рисунку, схематично його позначено сим- волом . Дослідження  спектрів  рідбергівських  атомів здійснюється таким чином. Спочатку виконуєть- ся  настроювання  каскадної  системи  лазерного накачування  для  збудження  нейтральних  ато- мів до відповідних рідбергських станів. Переходи між  такими  станами  досліджуються  за  допо- могою  мікрохвильового  випромінювання,  яке забезпечується синтезатором частоти діапазону 49 149 ГГц   (точність  встановлення  значення частоти  визначається  рубідієвим  стандартом,  а докладний опис синтезатора можна знайти в [29]). Якщо виникає резонансне поглинання мікрохви- льового  випромінювання,  буде  заповнено  верх- ній рідбергівський рівень. Тоді застосування іоні- заційного імпульсу до іонізаційної комірки (див. рис. 2) призведе до утворення вільних електронів. Напруженість  поля  іонізаційного  електричного імпульсу фіксується на значенні, достатньому для того, щоб відняти електрони від рівня, збуджено- го як мікрохвильовим, так і лазерним випроміню- ванням,  але  недостатньому  для  рівня,  що  збуд- жується лише лазерним випромінюванням. Таким чином,  струм  іонізації  буде  з’являтися  тільки Рис. 1. Спрощена діаграма Гротріана для ілюстрації ходу збудження атомів цинку до триплетних станів  3 2n P  та  3 2,3,4n F 276 ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 24, № 4, 2019 М. Л. Погребняк  та ін. у присутності мікрохвильового поглинання. Цей струм  посилюється  за  допомогою  каналотрону та  вимірюється  за  допомогою  системи  часової селекції корисного сигналу. У  спектрометрі  реалізована  жорстка  часова синхронізація  лазерного  імпульса  з  моментом появи іонізуючого імпульса та моментом запуску швидкодіючого аналого-цифрового перетворюва- ча  (АЦП)  системи  реєстрації  (часової  селекції корисного сигналу). Сканування частоти мікро- хвильового синтезатора здійснюється з заданим кроком у необхідному діапазоні. Для підвищення співвідношення сигнал/шум застосовується три- вале накопичення корисного сигналу. 5. Ñèñòåìà ðåºñòðàö³¿ ç ÷àñîâîþ ñåëåêö³ºþ êîðèñíîãî ñèãíàëó Як відомо, наразі комп’ютерне управління широко застосовується для сучасного фізичного експери- менту,  особливо  для  спектроскопії.  Комп’ютер управління зв’язаний з експериментальним облад- нанням за допомогою певних інтерфейсів. У на- шому випадку ми застосовували загалом три по- слідовних інтерфейси (RS-232, див. рис. 2). Харак- терною особливістю спектроскопії атомів у рідбер- гівських станах є робота в імпульсному режимі, що створює значні імпульсні перешкоди. За таких умов струми спільного проводу є джерелом біль- шості  можливих  перешкод.  Експериментально встановлено, що навіть прямі зв’язки між комп’ю- тером і спектрометром призводять до появи знач- них перешкод. Найпростішим способом вирішен- ня цієї проблеми є застосування оптично ізольова- них цифрових інтерфейсів (ізольований RS-232, див. рис. 2). Крім того, у високочастотних анало- гових колах ми застосували трансформаторні роз- в’язки. Найважливіші з них символічно зображені трансформаторами на рис. 2. Слід зазначити, що типова тривалість лазерно- го  імпульсу  становить  близько  15  нс,  тому  як сканування  синтезатора  частоти,  так  і  система реєстрації  мають  бути  ретельно  синхронізовані з роботою імпульсних лазерів. Типовий вихідний сигнал каналотрону показаний на рис. 3. На цьо- му рисунку наявність імпульсу перешкоди спри- чинена  роботою  системи  лазерного  збудження, а корисний сигнал тривалістю близько 100 нс (по- значений  пунктирним  еліпсом)  спостерігається Рис. 2. Функціональна схема лазерно-мікрохвильового спектрометра ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 24, № 4, 2019 277 Лазерно-мікрохвильовий спектрометр та спектроскопія атомів цинку в триплетних рідбергівських станах приблизно на 3 мкс пізніше. Слід зазначити, що на рис. 3  показаний  один  з  найбільш  сприятливих записів: корисний сигнал досить сильний, а рівень шуму досить низький. Під час реальних вимірю- вань корисний сигнал може бути набагато мен- шим, ніж перешкоди і шум. Крім того, рівень шуму сильно  залежить  від  умов  експерименту,  тому дуже часто співвідношення сигнал/шум може бути недостатнім  для  виявлення  корисного  сигналу навіть при тривалому накопиченні даних. Проте  ми  бачимо,  що  корисний  сигнал,  пере- шкоди і шум спостерігаються не одночасно. Саме тому є можливість часової селекції корисного сиг- налу. Отже, якщо ми будемо записувати реальну форму  сигналу  каналотрону  в  часовій  області, зможемо вибирати тільки корисний сигнал і таким чином мінімізувати вплив перешкод і шумів. Для цього ми розробили і побудували спеціальну систе- му реєстрації, здатну записувати тривалу (аж до 50 мкс) реалізацію відгуку каналотрону з часовою роздільною здатністю 25 нс. Функціональна схема цієї системи представлена на рис. 4. Вхідний сиг- нал надходить до ізолюючого підсилювача, який виконує дві функції. Перш за все він узгоджує рівень вхідного сигналу з можливостями АЦП. По-дру- ге, використання трансформаторної розв’язки (ізо- лювання) підвищує завадостійкість системи реє- страції. Узгоджений сигнал вимірюється у вигляді часового ряду швидким АЦП з роздільною здат- ністю 25 нс, а результати вимірювань зберігають- ся у реальному часі у пристрої пам’яті FIFO (First In First Out). Тривалість вимірювання однієї реалі- зації не перевищує 50 мкс, а часовий інтервал між послідовними реалізаціями складає 50 100 мс,  що дозволяє передавати без втрат усю необхідну інфор- мацію в комп’ютер. Цикл вимірювань починаєть- ся зі старту системи лазерного збудження. Лазер- ний імпульс надходить до оптичного сенсора (див. рис. 2), який формує сигнал старту вимірювань. У свою чергу цей сигнал переключає RS-тригер та відкриває вентиль (див. рис. 4), який дозволяє прохід тактових імпульсів на АЦП із синхронним збереженням  результатів  вимірювань  у  пам’яті FIFO. Після заповнення пам’яті FIFO формується сигнал  “стоп”,  який  завершує  цикл  запису  реа- лізації. Далі мікроконвертер виконує обробку та передавання  отриманої  реалізації  до  керуючого комп’ютера.  Після  чого  виконується  очищення пам’яті FIFO та підготовка системи до наступно- го циклу вимірювань. Під час циклу вимірювання система лазерного збудження переводить атоми до бажаних рідбер- гівських станів. Синхронно зі збудженням почи- нається робота системи реєстрації у часовій об- ласті, яка записує вихідний сигнал каналотрону з часовою роздільною здатністю 25 нс. Максималь- ної  тривалості  зареєстрованого  сигналу  50  мкс цілком досить для будь-якого типу вимірювань. Для того щоб мінімізувати вплив перешкод і шуму, ми виконуємо калібрування на початку вимірю- Рис. 3. Типовий вихідний сигнал каналотрону 278 ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 24, № 4, 2019 М. Л. Погребняк  та ін. вань з метою вибору точного положення корис- ного сигналу. При калібруванні отриманий запис використовується для визначення часових меж, у яких спостерігається корисний сигнал (на рис. 3 це часовий інтервал від 2.8 до 3.3 мкс). Далі, під час запису спектрів, система реєстрації виконує інтегрування сигналу у визначених межах, а ре- зультат  передає  до  комп’ютера  для  подальшої обробки. За нашими оцінками, застосування сис- теми реєстрації з часовою селекцією корисного сигналу підвищило чутливість спектрометра на два порядки. 6. Âèçíà÷åííÿ ïîðîãó ³îí³çàö³¿ Як  згадувалося  раніше,  атоми  у  рідбергівських станах є досить екзотичними об’єктами дослід- ження. Тому для запису лінії поглинання атомів необхідно виконати цілу низку попередніх налаш- тувань і вимірювань. Виявлення мікрохвильових переходів між рідбергівськими станами, а також їх реєстрація  забезпечуються  за допомогою так званої польової іонізації (тобто шляхом виявлення іонізаційного струму). Відомо, що кожен рідбергі- вський рівень може бути іонізований електричним полем з певною напруженістю. Приблизно критич- ну напруженість поля (поріг іонізації) можна оціни- ти за наступним добре відомим рівнянням [27]: 8 43.2 10 ( ) ,crE n     (1) де  crE  – критична напруженість поля, В/см; n – головне квантове число,   – значення квантовогоо дефекту. Оскільки рівняння (1) дає лише приблизне зна- чення напруженості поля іонізації, необхідно вико- нати вимірювання фактичного порогу  іонізації. Для цього є дуже зручною нова система реєст- рації у часової області. Визначення порога іоні- зації здійснюють наступним чином. Калібрування.  Перш  за  все  треба  виконати калібрування, тобто визначити часовий інтервал, у якому спостерігається корисний сигнал. Для цьо- го спектрометр перемикається у режим з вимірю- ванням реальної форми сигналу, а система лазер- ного накачування налаштовується для збудження верхнього рівня очікуваного переходу між рідбер- гівськими станами. Щоб забезпечити появу вільних електронів, амплітуда іонізаційного імпульсу вста- новлюється  на  значення  вище  порогу  іонізації. Рис. 4. Функціональна схема системи часової селекції корисного сигналу ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 24, № 4, 2019 279 Лазерно-мікрохвильовий спектрометр та спектроскопія атомів цинку в триплетних рідбергівських станах Типовий запис реальної форми сигналу відгуку ка- налотрону вже був показаний на рис. 3. Основна ідея калібрування полягає у визначенні інтервалу часу, коли спостерігається корисний сигнал (як вже згадувалося,  для  запису  на  рис.  3  це  відповідає часовому інтервалу між 2.8 та 3.3 мкс). Отрима- ні при такому калібруванні часові межі вводяться у програму керування спектрометром і далі засто- совуються для реєстрації відгуку каналотрону при будь-яких вимірюваннях. Визначення порогу  іонізації. Коли відомі ча- сові інтервали корисного сигналу, необхідно вимі- ряти точне значення порогу іонізації. Для цього спектрометр перемикається в режим визначен- ня порогу. Система лазерного накачування збуд- жує  верхній  рівень  очікуваного  переходу  між рідбергівськими станами. Амплітуда іонізацій- ного імпульсу змінюється від нульового рівня до верхньої межі, при цьому вимірюється вихідний струм  каналотрону.  Таким  чином  отримують запис порога іонізації. Приклад типового запису, отриманого для стану з  32n   атома цинку, по- казаний на рис. 5. Очевидно, що за допомогою такого запису поріг іонізації може бути визначе- ний  з  прийнятною  точністю.  Наявність  чітко визначеного порога іонізації є однією з основних умов спостереження мікрохвильового переходу, оскільки підтверджує, що системою лазерного накачування  збуджується  саме  відповідний рідбергівський стан досліджуваного атома і при цьому відсутнє збудження найближчого до ньо- го вищого рівня. 7. ̳êðîõâèëüîâèé ñïåêòð òà ðåçóëüòàòè àíàë³çó Після калібрування та визначення порогу іонізації спектрометр  перемикається  в  режим  запису мікрохвильових спектрів. У цьому випадку систе- ма лазерного накачування налаштовується на збуд- ження нижнього рівня очікуваного переходу між рідбергівськими станами. Амплітуда іонізаційного імпульсу встановлюється на попередньо визначе- ному значенні порога іонізації для верхнього рівня. Потім  частота  вихідного  сигналу  синтезатора змінюється синхронно з лазерними імпульсами в межах частотного діапазону, де очікується мікрох- вильова лінія. Синхронно зі зміною частоти реєст- рується  значення струму  іонізації. Таким чином, струм  іонізації  відтворює профіль переходу між рідбергівськими рівнями досліджуваного атома. Діапазон частот для пошуку переходів значно звужується,  якщо  скористатись  результатами вимірювань, виконаних методами оптичної спек- троскопії. Основні результати досліджень багать- ох авторів наведено у таблицях, доступних на сайті Національного інституту стандартів і технологій США (NIST) [30]. Роботи, з яких почерпнуто ті чи інші дані, наведено на сайті NIST, а тому зруч- но використовувати дані та деталі досліджень як з сайту, так і з публікацій авторів. Дослідження триплетних рідбергівських станів атомів цинку ми розпочали з вимірювань частот двофотонних  F F  переходів, які зазнають знач- но меншого впливу від зовнішніх паразитних полів. Такі переходи мають достатню для спостережен- ня інтенсивність, а також характеризуються ма- лою шириною лінії, що дає високу контрастність сигналу  та  значно  спрощує  початковий  пошук спектральних ліній. Типовий запис мікрохвильо- вого переходу між рідбергівськими станами по- казано  на  рис.  6.  Наразі  нам  вдалося  провести вимірювання  частот  чотирьох  двофотонних 3 3 3 3( 1)n F n F   переходів для значень головногоо квантового  числа  30 34,n     чого  досить  для визначення параметрів квантового дефекту лише F  стану.  Слід  зазначити,  що  виміряні  переходи складають послідовну серію за головним кванто- вим числом, що є додатковим аргументом корект- но виконаної  ідентифікації. Ми записали також декілька  окремих  переходів  цинку  для  деяких інших  триплетних  станів,  але  їх  кількість  не  є достатньою  для  отримання  параметрів  кванто- Рис. 5. Приклад запису порогу іонізації для рівня  3 332 F атому Zn I 280 ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 24, № 4, 2019 М. Л. Погребняк  та ін. вого  дефекту.  Згодом  ми  сподіваємося  продов- жити такі дослідження. Визначення частот мікрохвильових переходів здійснювалося при апроксимації методом наймен- ших квадратів експериментальних записів конту- ром Лоренца. Для підвищення точності визначен- ня  центральних  частот  використовувалося  усе- реднення результатів обробки багатьох індивіду- альних записів. Статистична похибка вимірюван- ня частот переходів не перевищувала ±0.02 МГц. Таке  значення  спричинюється  перш  за  все  не дуже добрим співвідношенням сигнал/шум екс- периментальних  реалізацій.  Але  у  будь-якому випадку  точність  наших  вимірювань  на  п’ять порядків краща за попередні результати, отрима- ні  в  інфрачервоному  та  оптичному  діапазонах. Результати вимірювань наведені  в  табл.  1. Метою дослідження мікрохвильових спектрів атомів у рідбергівських станах є визначення або уточнення квантового дефекту. Енергію відповід- ного енергетичного рівня можна виразити через значення головного квантового числа та кванто- вого  дефекту  за  допомогою  відомої  формули Рідберга  [31]: Zn Zn 2 2 ( , , ) , ( )nLJ hcR hcR E n L J n n    де h – стала Планка, c – швидкість світла,  n  – ефективне  значення  головного  квантового  чис- ла,  nLJ   –  значення  квантового  дефекту,  ZnR  1109736.39506 см   – стала  Рідберга  для  атома Zn I. Значення сталої Рідберга для атома цинку роз- раховувалося на основі значення сталої Рідберга для гідрогену  1 H 109737.31568549 смR   з вико- ристанням широко відомого співвідношення [32]: H Zn Zn , 1 e e R R m M m    де  ZnM  – маса атома цинку,  em  – маса електрона. Результатом  експериментальних  досліджень є  значення  відповідних  частот  переходів  між рідбергівськими станами n та  ,n  які можна ви- разити такою формулою: Zn 2 2 1 1 ( , , , , )n L J n L J cR n n            Zn 2 2 1 1 . ( ) ( )n LJ nLJ cR n n            (2) У свою чергу квантовий дефект  nLJ  зазвичай наводять  у  вигляді  степеневого  ряду  за  рекур- сивною формулою Рітца [32]: 2 4 0 2 4 ( ) ( ) ( ) ...LJ LJ nLJ LJ n n           2 4 0 2 4 ( ) ( ) ( ) ..., ( ) ( ) LJ LJ LJ nLJ nLJn n          (3) де: n, L, J –  квантові числа;  0 ,   2 ,   4  – коефі-фі- цієнти розкладання, які залежать лише від орбі- Рис. 6. Запис мікрохвильового переходу між триплетними рідбергівськими станами  3 3 3 331 32F F  атома цинку 3 3 3 330 31F F 1 2 116348.797 0.82 0.004 3 3 3 331 32F F 2 2 105602.824 0.47 –0.006 3 3 3 332 33F F 3 2 96140.563 0.52 0.000 3 3 3 333 34F F 4 2 87775.888 0.48 0.003 Таблиця 1. Виміряні частоти переходів для триплетних рідбергівських станів Zn I Перехід Позначка  на  рис. 1 Експериментальна частота  двофотонного переходу,  МГц Ширина лінії, МГц Різниця між експ. та розрах. даними, МГц ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 24, № 4, 2019 281 Лазерно-мікрохвильовий спектрометр та спектроскопія атомів цинку в триплетних рідбергівських станах тального  квантового  числа  L  для  великих  зна- чень n. Саме значення цих коефіцієнтів розкладання ми маємо визначити з експериментальних даних. Слід зазначити, що розкладання (3) є рекурсив- ним,  тобто  значення  nLJ   визначається  з  поси- ланням на себе. Для числового рішення цієї про- блеми ми застосували метод послідовних набли- жень.  Крім  того,  параметри  0 2, , ...    входять у формулу (3), а тому й у формулу (2), нелінійно. Саме тому для визначення цих параметрів вико- ристовується розкладення виразу (2) для частоти рідбергівського  переходу  ( , , , , )n L J n L J      у ряд Тейлора за  0 2, , ...   з обмеженням лінійними членами  розкладення.  Значення  параметрів 0 2, , ...   отримується методом найменших квад- ратів. Звісно, що через використання лінеаризації ці значення отримуються  ітеративним методом, тобто послідовними наближеннями. Отримані  таким  чином  значення  коефіцієнтів розкладання  квантового  дефекту  складають 0 0.0295152(20),    2 0.0692(12)     (довірчі інтервали вказані в одиницях останніх значущих цифр та відповідають одному стандартному відхи- ленню). Якість описання спектру можна оцінити за різницею між експериментальними та розрахунко- вими значеннями частот переходів (див. табл. 1). Очевидно, що нам вдалося досягнути відтворення спектра з експериментальною точністю. 8. Âèñíîâêè Побудований  спектрометр  дозволяє  виконувати системні дослідження спектрів збудження атомів цинку в рідбергівських станах з високою розділь- ною здатністю та досить точно визначати енергії станів  атомів цинку.  Застосування  системи  реє- страції  з  часовою селекцією корисного  сигналу дозволило на два порядки підвищити чутливість спектрометра. Широке застосування оптоелект- ронних і трансформаторних розв’язок суттєво по- кращило завадостійкість спектрометра. Виконано  вимірювання  частот  двофотонних F F  переходів між триплетними станами з гоо- ловним квантовим числом  30 34.n    За резуль- татами  аналізу  отриманих  даних  знайдено  зна- чення параметрів для розрахунку квантового де- фекту  0 0.0295152(20)   та  2 0.0692(12)    для 3 3F   термів.  Отримані  відхилення  між  експери- ментальними та розрахунковими значеннями час- тот переходів на рівні одиниць кілогерц свідчать про високу точність виконаних вимірювань. Автори  висловлюють  подяку  В.  В.  Ілюшину, В. О. Єфремову та О. Ф. Пішко за корисні дис- кусії та допомогу в роботі. СПИСОК ЛIТЕРАТУРИ 01.  Gallagher  T.  F.  Rydberg  Atoms.  New  York:  Cambridge University  Press,  1994. 02.  Michel  L.  and  Zhilinskiì  B.  I.  Rydberg  states  of  atoms and  molecules.  Basic  group  theoretical  and  topological analysis. Phys. Rep.  2001. Vol.  341,  Is.  1–6. P. 173–264. DOI: 10.1016/S0370-1573(00)00090-9 03. Lim J., Lee H., and Ahn J. Review of cold Rydberg atoms and their applications. J. Korean Phys. Soc. 2013. Vol. 63, Is.  4. P. 867–876. DOI: 10.3938/jkps.63.867 04. Wenhui L., Mourachko I., Noel M. W., and Gallagher T. F. Millimeter-wave spectroscopy of cold Rb Rydberg atoms in a magneto-optical trap: Quantum defects of  the ns, np, and nd series. Phys. Rev. A. 2003. Vol. 67, Is. 5. id. 052502. DOI:  10.1103/PhysRevA.67.052502 05. Snow E. L. and Lundeen S. R. Determination of dipole and quadrupole polarizabilities of Mg+ by fine-structure mea- surements  in  high-L  n17  Rydberg  states  of  magnesium. Phys. Rev. A. 2008. Vol. 77, Is. 5. id. 052501. DOI: 10.1103/ PhysRevA.77.052501 06.  Konovalenko  A.  A.  and  Sodin  L.  G.  The  26.13  MHz absorption  line  in  the  direction  of  Cassiopeia A.  Nature. 1981.  Vol.  294,  No.  5837.  P.  135–136.  DOI:  10.1038/ 294135a0 07. Gordon M. A. and Sorochenko R. L. Radio Recombination Lines, Their Physics and Astronomical Applications. New York: Springer, 2009. 08. Ahn J., Hutchinson D. N., Rangan C., and Bucksbaum P. H. Quantum Phase Retrieval of a Rydberg Wave Packet Using a  Half-Cycle  Pulse.  Phys.  Rev.  Lett.  2001. Vol.  86,  Is.  7. P.  1179–1182.  DOI:  10.1103/PhysRevLett.86.1179 09.  Raimond  J.  M.,  Brune  M.,  and  Haroche  S.  Colloquium: Manipulating quantum entanglement with atoms and pho- tons  in  a  cavity.  Rev.  Mod.  Phys.  2001.  Vol.  73,  Is.  3. P.  565–582.  DOI:  10.1103/RevModPhys.73.565 10.  Gleyzes  S.,  Kuhr  S.,  Guerlin  C.,  Bernu  J.,  Deléglise  S., Hoff  U.  B.,  Brune  M.,  Raimond  J-M.,  and  Haroche  S. Quantum  jumps  of  light  recording  the  birth  and  death  of a  photon  in  a  cavity.  Nature.  2007.  Vol.  446,  No.  7133. P. 297–300. DOI: 10.1038/nature05589 11.  Dyubko  S.  F.,  Efremov  V.  A.,  Gerasimov  V.  G.,  and MacAdam  K.  B.  Millimetre-wave  spectroscopy  of  Au  I Rydberg states: S, P and D terms. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys.  2004.  Vol.  38,  Is.  8.  P.  1107–1118.  DOI:  10.1088/ 0953-4075/38/8/003 12.  MacAdam  K.  B.,  Dyubko  S.  F.,  Efremov  V. A.,  Gerasi- mov V. G., and Perepechay M. P. Microwave spectrosco- py  of  Ag  I  atoms  in  Rydberg  states:  S,  P  and  D  terms. J.  Phys.  B:  At.  Mol.  Opt.  Phys.  2009.  Vol.  42,  Is.  8. id. 085003. DOI: 10.1088/0953-4075/42/8/085003 13.  MacAdam  K.  B.,  Dyubko  S.  F.,  Efremov  V. A.,  Gerasi- mov V. G., and Kutsenko A. S. Laser-microwave spectro- scopy of Cu I atoms  in S, P, D, F and G Rydberg states. J.  Phys.  B:  At.  Mol.  Opt.  Phys.  2009.  Vol.  42,  Is.  16. id. 165009. DOI: 10.1088/0953-4075/42/16/165009 282 ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 24, № 4, 2019 М. Л. Погребняк  та ін. 14. Dyubko S. F., Efremov V. A., Gerasimov V. G., and Mac- Adam  K.  B.  Microwave  spectroscopy  of  Al  I  Rydberg states:  F  terms.  J.  Phys.  B:  At.  Mol.  Opt.  Phys.  2003. Vol.  36,  Is.  18.  P.  3797–3804.  DOI:  10.1088/0953-4075/ 36/18/308 15.  MacAdam  K.  B.,  Dyubko  S.  F.,  Efremov V. A.,  Kutsen- ko A. S., and Pogrebnyak N. L. Microwave spectroscopy of  singlet  Mg  I  in  L    0–4  Rydberg  states.  J.  Phys.  B.: At. Mol. Opt. Phys. 2012. Vol. 45, Is. 21. id. 215002. DOI: 10.1088/0953-4075/45/21/215002 16. Lyons B. J. and Gallagher T. F. Mg 3snf–3sng–3snh–3sni intervals  and  the  Mg+  dipole  polarizability.  Phys.  Rev. A. 1998.  Vol.  57,  Is.  4.  P.  2426–2429.  DOI:  10.1103/ PhysRevA.57.2426 17. Gentile T. R., Hughey B. J., and Kleppner D. Microwave spectroscopy of calcium Rydberg states. Phys. Rev. A. 1990. Vol. 42, Is. 1. P. 440–451. DOI: 10.1103/PhysRevA.42.440 18. Shuman E. S., Nunkaew J., and Gallagher T. F. Two-pho- ton  microwave  spectroscopy  of  Ba  6snl  states.  Phys. Rev.  A.  2007.  Vol.  75,  Is.  4.  id.  044501.  DOI:  10.1103/ PhysRevA.75.044501 19.  Cooke  W.  E.  and  Gallagher  T.  F.  Measurements  of 1 1 2 3D F   microwave  transitions  in  strontium  Rydberg states using selective resonance ionization. Opt. Lett. 1979. Vol. 4, Is. 6. P. 173–175. DOI: 10.1364/OL.4.000173 20.  Muntenbruch  H.  Die  vervollständigung  des  termschemas von  Zn I  mit  hilfe  einer  hohlkathodenentladung.  Spect- rochim.  Acta.  1960.  Vol.  16,  Is.  9.  P.  1040–1053.  DOI: 10.1016/0371-1951(60)80144-0 21. Brown C. M., Tilford S. G., and Ginter M. L. Absorption spectra  of  Zn I  and  Cd I  in  the  1300 1750 Å   region. J. Opt. Soc. Am. 1975. Vol. 65, Is. 12. P. 1404–1409. DOI: 10.1364/JOSA.65.001404 22.  Kompitsas  M.,  Baharis  C.,  and  Pan  Z.  Rydberg  states of  zinc  and  measurement  of  the  dipole  polarizability  of the  Zn+  ion.  J.  Opt.  Soc.  Am.  B.  1994.  Vol.  11,  Is.  5. P.  697–702.  DOI:  10.1364/JOSAB.11.000697 23.  Nawaz  M.,  Nadeem  A.,  Bhatti  S.  A.,  and  Baig  M.  A. Two-step  laser  excitation  of  4snd  3D1,2,3  and  4sns  3S1 states from the 4s4p 3P levels in zinc. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 2006. Vol. 39, Is. 4. P. 871–882. DOI: 10.1088/ 0953-4075/39/4/011 24. Nadeem A., Nawaz M., Bhatti S. A., and Baig M. A. Multi- step  laser  excitation  of  the  highly  excited  states  of  zinc. Opt.  Commun.  2006.  Vol.  259,  Is.  2.  P.  834–839.  DOI: 10.1016/j.optcom.2005.08.075 25.  Civiš  S.,  Ferus  M.,  Chernov  V.  E.,  Zanozina  E.  M.,  and Juha L. Zn I spectra in the 1300–6500 cm–1 range. J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 2014. Vol. 134. P. 64–73. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2013.10.017 26. Kutsenko A. S., MacAdam K. B., Dyubko S. F., and Pogreb- nyak N. L. Millimeter-wave  spectroscopy of Zn  I  in  1D 2 , 1F 3  and 1G 4  Rydberg states. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 2015. Vol. 48, Is. 24. id. 245005. DOI: 10.1088/0953-4075/ 48/24/245005 27.  Dyubko  S.  F.,  Pogrebnyak  N.  L., Alekseev  E. A.,  Ryab- tsev  I.  I.,  and  Kutsenko A. S. Microwave  spectometer  of Rydberg  state  atoms.  Radio  Phys.  Radio  Astron.  2011. Vol.  2,  No.  4.  P.  359–368.  DOI:  10.1615/RadioPhysics RadioAstronomy.v2.i4.90 28. Channeltron. Electron multiplier handbook for mass spec- trometry  applications.  URL:  https://www.triumf.ca/sites/ default/files/ChannelBookBurle.pdf  (дата  звернення: 29.06.2019) 29. Alekseev E. A., Motiyenko R. A., and Margules L. Milli- meter- and submillimeter-wave spectrometers on the basis of direct digital frequency synthesizers. Radio Phys. Radio Astron.  2012.  Vol.  3,  No.  1.  P.  75–88.  DOI:  10.1615/ RadioPhysicsRadioAstronomy.v3.i1.100 30. National Institute of Standarts and Technology. NIST Ato- mic  Spectra  Database.  Version  5.6  URL:  http://physics. nist.gov/asd (дата звернення: 29.06.2019) 31. Goy P., Raimond J. M., Vitrant G., and Haroche S. Milli- meter-wave spectroscopy in cesium Rydberg states. Quan- tum  defects,  fine-  and  hyperfine-structure  measurements. Phys.  Rev.  A.  1982.  Vol.  26,  Is.  5.  P.  2733–2742.  DOI: 10.1103/PhysRevA.26.2733 32. Wikipedia. Rydberg constant. URL: https://en.wikipedia.org/ wiki/Rydberg_constant (дата звернення: 5.07.2019) REFERENCES 01.  GALLAGHER,  T.  F.,  1994.  Rydberg  Atoms.  New  York: Cambridge University Press. 02. MICHEL, L. and ZHILINSKIÌ, B. I., 2001. Rydberg sta- tes  of  atoms  and  molecules.  Basic  group  theoretical and  topological  analysis.  Phys.  Rep.  vol.  341,  is.  1–6, pp. 173–264. DOI: 10.1016/S0370-1573(00)00090-9 03.  LIM,  J.,  LEE,  H.  and  AHN,  J.,  2013.  Review  of  cold Rydberg  atoms  and  their  applications.  J.  Korean  Phys. Soc. vol. 63, is. 4, pp. 867–876. DOI: 10.3938/jkps.63.867 04.  WENHUI,  L.,  MOURACHKO,  I.,  NOEL,  M.  W.  and GALLAGHER,  T.  F.,  2003.  Millimeter-wave  spectro- scopy  of  cold  Rb  Rydberg  atoms  in  a  magneto-optical trap: Quantum defects of  the ns, np,  and nd  series. Phys. Rev.  A.  vol.  67,  is.  5,  id.  052502.  DOI:  10.1103/Phys RevA.67.052502 05. SNOW, E. L. and LUNDEEN, S. R., 2008. Determination of dipole and quadrupole polarizabilities of Mg+ by fine- structure measurements in high-L n=17 Rydberg states of magnesium. Phys. Rev. A. vol. 77, is. 5, id. 052501. DOI: 10.1103/PhysRevA.77.052501 06.  KONOVALENKO, A. A.  and  SODIN,  L.  G.,  1981.  The 26.13  MHz  absorption  line  in  the  direction  of  Cassio- peia  A.  Nature.  vol.  294,  no.  5837,  pp.  135–136.  DOI: 10.1038/294135a0 07.  GORDON,  M.  A.  and  SOROCHENKO,  R.  L.,  2009. Radio  Recombination  Lines,  Their  Physics  and  Astrono- mical Applications. New York: Springer. 08.  AHN,  J.,  HUTCHINSON,  D.  N.,  RANGAN,  C.  and BUCKSBAUM, P. H., 2001. Quantum Phase Retrieval of a  Rydberg Wave  Packet  Using  a  Half-Cycle  Pulse. Phys. Rev.  Lett.  vol.  86,  is.  7,  pp.  1179–1182.  DOI:  10.1103/ PhysRevLett.86.1179 09. RAIMOND, J. M., BRUNE, M. and HAROCHE, S., 2001. Colloquium:  Manipulating  quantum  entanglement  with atoms  and  photons  in  a  cavity.  Rev.  Mod.  Phys.  vol.  73, is.  3,  pp.  565–582.  DOI:  10.1103/RevModPhys.73.565 10.  GLEYZES,  S.,  KUHR,  S.,  GUERLIN,  C.,  BERNU,  J., DELÉGLISE,  S.,  HOFF,  U.  B.,  BRUNE,  M.,  RAI- MOND, J-M. and HAROCHE, S., 2007. Quantum jumps of  light  recording  the  birth  and  death  of  a  photon  in a  cavity.  Nature.  vol.  446,  no.  7133,  pp.  297–300.  DOI: 10.1038/nature05589 ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 24, № 4, 2019 283 Лазерно-мікрохвильовий спектрометр та спектроскопія атомів цинку в триплетних рідбергівських станах 11. DYUBKO, S. F., EFREMOV, V. A., GERASIMOV, V. G. and  MACADAM,  K.  B.,  2004.  Millimetre-wave  spectro- scopy of Au I Rydberg states: S, P and D terms. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. vol. 38, is. 8, pp. 1107–1118. DOI: 10.1088/0953-4075/38/8/003 12. MACADAM, K. B., DYUBKO, S. F., EFREMOV, V. A., GERASIMOV,  V.  G.  and  PEREPECHAY,  M.  P.,  2009. Microwave spectroscopy of Ag I atoms in Rydberg states: S, P and D terms. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. vol. 42, is.  8,  id.  085003.  DOI:  10.1088/0953-4075/42/8/085003 13. MACADAM, K. B., DYUBKO, S. F., EFREMOV, V. A., GERASIMOV,  V.  G.  and  KUTSENKO,  A.  S.,  2009. Laser-microwave spectroscopy of Cu I atoms in S, P, D, F and  G  Rydberg  states.  J.  Phys.  B:  At.  Mol.  Opt.  Phys. vol.  42,  is.  16,  id.  165009.  DOI:  10.1088/0953-4075/42/ 16/165009 14. DYUBKO, S. F., EFREMOV, V. A., GERASIMOV, V. G. and  MACADAM,  K.  B.,  2003.  Microwave  spectroscopy of Al I Rydberg states: F terms. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys.  vol.  36,  is.  18,  pp.  3797–3804.  DOI:  10.1088/ 0953-4075/36/18/308 15. MACADAM, K. B., DYUBKO, S. F., EFREMOV, V. A., KUTSENKO,  A.  S.  and  POGREBNYAK,  N.  L.,  2012. Microwave  spectroscopy  of  singlet  Mg  I  in  L    0–4 Rydberg  states.  J.  Phys.  B.:  At.  Mol.  Opt.  Phys.  vol.  45, is. 21, id. 215002. DOI: 10.1088/0953-4075/45/21/215002 16. LYONS, B. J. and GALLAGHER, T. F., 1998. Mg 3snf– 3sng–3snh–3sni  intervals  and  the  Mg+  dipole  polariza- bility.  Phys.  Rev.  A.  vol.  57,  is.  4,  pp.  2426–2429.  DOI: 10.1103/PhysRevA.57.2426 17.  GENTILE,  T.  R.,  HUGHEY,  B.  J.  and  KLEPPNER,  D., 1990. Microwave spectroscopy of calcium Rydberg states. Phys.  Rev. A.  vol.  42,  is.  1,  pp.  440–451.  DOI:  10.1103/ PhysRevA.42.440 18. SHUMAN, E. S., NUNKAEW, J. and GALLAGHER, T. F., 2007.  Two-photon  microwave  spectroscopy  of  Ba  6snl states.  Phys.  Rev.  A.  vol.  75,  is.  4,  id.  044501.  DOI: 10.1103/PhysRevA.75.044501 19. COOKE, W. E. and GALLAGHER, T. F., 1979. Measure- ments  of  1 1 2 3D F   microwave  transitions  in  strontium Rydberg  states  using  selective  resonance  ionization. Opt. Lett. vol. 4, is. 6, pp. 173–175. DOI: 10.1364/OL.4.000173 20.  MUNTENBRUCH,  H.,  1960.  Die  vervollständigung  des termschemas  von  Zn  I  mit  hilfe  einer  hohlkathodenen- tladung. Spectrochim. Acta. vol. 16, is. 9, pp. 1040–1053. DOI: 10.1016/0371-1951(60)80144-0 21.  BROWN,  C.  M.,  TILFORD,  S.  G.  and  GINTER,  M.  L., 1975.  Absorption  spectra  of  Zn I  and  Cd I  in  the 1300 1750 Å   region.  J.  Opt.  Soc.  Am.  vol.  65,  is.  12, pp.  1404–1409.  DOI:  10.1364/JOSA.65.001404 22.  KOMPITSAS,  M.,  BAHARIS,  C.  and  PAN,  Z.,  1994. Rydberg  states  of  zinc  and  measurement  of  the  dipole polarizability of the Zn+ ion. J. Opt. Soc. Am. B. vol. 11, is.  5,  pp.  697–702.  DOI:  10.1364/JOSAB.11.000697 23.  NAWAZ,  M.,  NADEEM,  A.,  BHATTI,  S.  A.  and BAIG,  M.  A.,  2006.  Two-step  laser  excitation  of 4snd 3D1,2,3 and 4sns 3S1 states  from the 4s4p 3P  levels in  zinc.  J.  Phys.  B:  At.  Mol.  Opt.  Phys.  vol.  39,  is.  4, pp. 871–882. DOI: 10.1088/0953-4075/39/4/011 24.  NADEEM,  A.,  NAWAZ,  M.,  BHATTI,  S.  A.  and BAIG,  M.  A.,  2006.  Multi-step  laser  excitation  of  the highly excited states of zinc. Opt. Commun. vol. 259, is. 2, pp.  834–839.  DOI:  10.1016/j.optcom.2005.08.075 25.  CIVIŠ,  S.,  FERUS,  M.,  CHERNOV,  V.  E.,  ZANOZI- NA,  E.  M.  and  JUHA,  L.,  2014.  Zn  I  spectra  in  the 1300–6500 cm–1 range. J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. vol.  134,  pp.  64–73. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2013.10.017 26. KUTSENKO, A. S., MACADAM, K. B., DYUBKO, S. F. and POGREBNYAK, N. L., 2015. Millimeter-wave spec- troscopy  of  Zn  I  in  1D 2 ,  1F 3   and  1G 4   Rydberg  states. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. vol. 48, is. 24, id. 245005. DOI: 10.1088/0953-4075/48/24/245005 27. DYUBKO, S. F., POGREBNYAK, N. L., ALEKSEEV, E. A., RYABTSEV,  I.  I.  and  KUTSENKO, A.  S.,  2011.  Micro- wave  spectometer  of  Rydberg  state  atoms.  Radio  Phys. Radio  Astron.  vol.  2,  no.  4,  pp.  359–368.  DOI:  10.1615/ RadioPhysicsRadioAstronomy.v2.i4.90 28.  CHANNELTRON.,  [no  date].  Electron  multiplier  hand- book for mass spectrometry applications [online]. [viewed 29  June  2019].  Available  from:  https://www.triumf. ca/sites/default/files/ChannelBookBurle.pdf 29.  ALEKSEEV,  E.  A.,  MOTIYENKO,  R.  A.  and  MAR- GULES, L., 2012. Millimeter- and submillimeter-wave spec- trometers on  the basis  of direct  digital  frequency  synthe- sizers. Radio Phys. Radio Astron. vol. 3, no. 1, pp. 75–88. DOI:  10.1615/RadioPhysicsRadioAstronomy.v3.i1.100 30. NATIONAL INSTITUTE OF STANDARTS AND TECH- NOLOGY,  2019.  NIST  Atomic  Spectra  Database.  Ver- sion 5.6 [online]. [viewed 29 June 2019]. Available from: http://physics.nist.gov/asd 31.  GOY,  P.,  RAIMOND,  J.  M., VITRANT,  G.  and  HARO- CHE,  S.,  1982.  Millimeter-wave  spectroscopy  in  cesium Rydberg  states.  Quantum  defects,  fine-  and  hyperfine- structure  measurements.  Phys.  Rev.  A.  vol.  26,  is.  5, pp.  2733–2742.  DOI:  10.1103/PhysRevA.26.2733 32.  WIKIPEDIA,  2019.  Rydberg  constant  [online].  [viewed 5  July  2019].  Available  from:https://en.wikipedia.org/ wiki/Rydberg_constant N. L. Pogrebnyak 1,2, S. F. Dyubko 1,2, E. A. Alekseev 1,2, M. P. Perepechai 2, A. I. Tkachev 2, and S. A. Vlasenko 2 1 Institute of Radio Astronomy,   National Academy of Sciences of Ukraine,   4, Mystetstv St., Kharkiv, 61002, Ukraine 2 V. N. Karazin Kharkiv National University,   4, Svoboda Sq., Kharkiv, 61022, Ukraine LASER-MICROWAVE SPECTROMETER AND SPECTROSCOPY OF ZINC ATOM IN TRIPLET RYDBERG STATES Purpose: Zinc atom in the triplet Rydberg states is the investi- gation subject. Purposes of the work are the following: design of a laser-microwave spectrometer intended for measuring the transition energies between the Zn I atom triplet Rydberg states, measurements of the two-photon transition frequencies between the triplet  3 3 3 3( 1)n F n F   states, determination of quantum defect parameters for the mentioned zinc atom transitions on the obtained experimental data basis. Design/methodology/approach: A  beam  of  neutral  thermal atoms of zinc is formed inside the research chamber using the Knudsen furnace and a system of diaphragms. Then, the laser excitation system performs a selective multistep transfer of neu- 284 ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 24, № 4, 2019 М. Л. Погребняк  та ін. tral atoms to the specified Rydberg states, which are initial ones for interaction with microwave radiation. The probing of the studied transitions is carried out by scanning the micro- wave synthesizer frequency. Microwave absorption of atoms is recorded by the magnitude of the ionization current, which is  caused  by  electric  field  with  exactly  specified  intensity (the field ionization method). The application of a recording sys- tem with a time selection of the desired signal allowed us to in- crease the spectrometer sensitivity by two orders of magnitude. The widespread use of optoelectronic and transformer isolations has significantly increased the spectrometer noise immunity. Findings: A laser-microwave spectrometer was created, using which, in the frequency range from 76,000 to 120,000 MHz, the measurements of the frequencies of two-photon transitions between Rydberg triplet states of the Zn I atom were made. Four microwave Rydberg transitions of  3 3 3 3( 1)n F n F   with- in the principal quantum number range n from 30 to 34 were reliably identified. The parameters of a quantum defect in the Ritz formula were obtained on the basis of experimental data analysis. Conclusions: Frequencies of  two-photon  F F   transitions between the triplet states with the principal quantum number 30 4n     were measured. The values of the coefficients for calculating  the  quantum  defect  0 0 0295152(20).    and 2 0 0692(12).   for the  3 3F  terms of zinc were found from the results of the obtained data analysis. Key words: zinc atom, Rydberg states of atoms, spectrometer, laser excitation, triplet states, microwave range Н. Л. Погребняк 1,2, С. Ф. Дюбко 1,2, Е. А. Алексеев 1,2, М. П. Перепечай 2, А. И. Ткачев 2, С. А. Власенко 2 1 Радиоастрономический институт НАН Украины,   ул. Мыстэцтв, 4, г. Харьков, 61002, Украина 2 Харьковский национальний университет   имени В. Н. Каразина,   пл. Свободы, 4, г. Харьков, 61022, Украина ЛАЗЕРНО-МИКРОВОЛНОВЫЙ СПЕКТРОМЕТР И СПЕКТРОСКОПИЯ АТОМОВ ЦИНКА В ТРИПЛЕТ- НИХ РИДБЕРГОВСКИХ СОСТОЯНИЯХ Предмет и цель работы: Предмет исследований – атомы цинка в триплетных ридберговских состояниях. Цели рабо- ты: создание лазерно-микроволнового спектрометра для измерения частот переходов между триплетными ридбер- говскими состояниями атома Zn I, измерение частот двухфо- тонных переходов между триплетными  3 3 3 3( 1)n F n F  состояниями, определение на основе полученных экспери- ментальных данных параметров квантового дефекта для ука- занных переходов атома цинка. Методы и методология: Пучок нейтральных тепловых ато- мов цинка формируется внутри исследовательской камеры с помощью печи Кнудсена и системы диафрагм. Далее систе- мой  лазерного  возбуждения  выполняется  селективный многоступенчатый перевод нейтральных атомов в заданные ридберговские состояния, которые являются начальными для взаимодействия с микроволновым излучением. Зонди- рование исследуемых переходов осуществляется с помощью сканирования частоты синтезатора микроволнового диапа- зона. Микроволновое поглощение атомов регистрируется по значению ионизационного тока, который вызывается элек- трическим полем с точно заданной напряженностью (метод полевой ионизации). Применение системы регистрации с вре- менной селекцией полезного сигнала позволило на два по- рядка повысить чувствительность спектрометра. Широкое применение оптоэлектронных и трансформаторных раз- вязок существенно повысило помехозащищенность спектро- метра. Результаты:  Создан  лазерно-микроволновый  спектро- метр, с помощью которого в диапазоне частот от 76000 до 120000 МГц проведены измерения частот двухфотонных переходов между ридберговскими триплетными состояния- ми атома Zn I. Надежно идентифицированы четыре мик- роволновых ридберговских перехода  3 3 3 3( 1)n F n F   в диапазоне главного квантового числа n от 30 до 34. По ре- зультатам анализа экспериментальных данных получены па- раметры квантового дефекта в формуле Ритца. Заключение:  Проведены  измерения  частот  двухфотон- ных F F   переходов между триплетными состояниями с главным квантовым числом  30 4.n    По результатам анализа полученных данных найдены значения коэффициен- тов для вычисления квантового дефекта  0 0 0295152(20).  и  2 0 0692(12).   для  3 3F   термов цинка. Ключевые слова: атом цинка, ридберговские состояния ато- мов, спектрометр, лазерное возбуждение, триплетные сос- тояния, микроволновый диапазон Стаття надійшла до редакції 18.07.2019

Similar Items