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Journal de physique

Résonance magnétique sur des atomes orientés optiquement

J. Brossel, Bernard Cagnac, Alfred Kastler

Published Jan 1, 1954• 47 citations
Publisher

Abstract

Des atomes de sodium d'un jet atomique ont été orientés par illumination avec de la lumière de résonance 5 890-5 896 Å polarisée circulairement. Ces atomes orientés ont été utilisés pour effectuer des transitions de résonance magnétique entre les sous-niveaux Zeeman de l'état fondamental 32 $$ S1/z, transitions qui ont été détectées optiquement. A côté des résonances normales correspondant au passage d'un niveau m à un niveau adjacent on observe, lorsqu'on augmente l'amplitude du champ de haute fréquence, des résonances nouvelles très aigues qui font intervenir à la fois trois ou quatre niveaux Zeeman.

DOI
10.1051/jphysrad:019540015010601

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Les M thodes Optiques d'Orientation Atomique et leurs Applications

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La methode optique d'orientation atomique est situee parmi l'ensemble des methodes proposees et mises en oeuvre. L'excitation optique selective des sous-niveaux Zeeman d'un niveau atomique excite se manifeste dans l'etat de polarisation de la lumiere de resonance optique. En excitant des atomes avec de la lumiere de resonance polarisee circulairement, on peut egalement produire une population selective des sous-niveaux Zeeman de l'etat fondamental. Les applications des atomes ainsi orientes sont leur utilisation pour des experiences de resonance magnetique sur l'etat excite et sur l'etat fondamental, la possibilite d'orienter des noyaux atomiques et enfin la production d'electrons polarises par effet photoelectrique des atomes orientes.

Proceedings of the Physical Society Section A•Oct 1, 1954•55 citations

Diverses résonances de croisement de niveaux sur des atomes pompés optiquement en champ nul. I. Théorie

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Revue de Physique Appliquée•Jan 1, 1970•144 citations

Détection optique de la résonance magnétique nucléaire du mercure 201

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Journal de physique•Jan 1, 1958•4 citations

Étude théorique et expérimentale des transitions à plusieurs quanta entre les sous-niveaux Zeeman d'un atome

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Journal de physique•Jan 1, 1958•22 citations

Pompage optique des atomes alcalins dans un gaz étranger sous haute pression et détermination de la distribution de spin

Arnold L. Bloom

Nous avons mis au point des expériences sur le pompage optique et la résonance magnétique des vapeurs alcalines dans l'argon à des pressions supérieures à 20 mm Hg. Nous avons observé les résonances Zeeman de Na, K et Rb et les résonances hyperfines de Na et K. Nous avons étudié les intensités relatives des signaux en vue d'obtenir des informations sur la nature exacte du processus de pompage et sur la distribution des populations de spin dans les sous-niveaux de l'état fondamental. On doit tenir compte de deux facteurs principaux pour décrire le pompage. L'un est l'inégale absorption des composantes spectrales de la lumière se traduisant par des différences d'intensité qui peuvent produire un pompage optique à l'arrière de la cellule d'absorption. Les cas les plus simples ont reçu des solutions mathématiques rigoureuses. L'autre facteur est le comportement des atomes dans les états optiquement excités. Nous avons fait le calcul approché de l'intensité du signal d'après l'une ou l'autre des hypothèses suivantes : a) tous les spins sont distribués au hasard parmi les sous-niveaux des états P avant la réémission de lumière et : b) (d'après une suggestion de Dehmelt) seuls les spins électroniques sont distribués au hasard, les,spins nucléaires restant inchangés. Les résultats expérimentaux semblent vérifier l'importance de l'absorption sélective de la lumière. Les intensités des signaux concordent généralement avec l'hypothèse d'une distribution complètement au hasard dans les états excités, sauf par exemple dans le cas du sodium qui est nettement en désaccord avec cette interprétation. Pour le sodium, il semble possible de partir de lumière non polarisée et d'obtenir à l'arrière de la cellule d'absorption environ 90 % de la population dans l'état F = 2 (contre 62 % sans pompage). Si la lumière est polarisée circulairement, la population est de plus concentrée en 3 sous-niveaux magnétiques seulement.

Journal de physique•Jan 1, 1958•7 citations

MESURES DE POLARISATION DE RAIES DU SPECTRE D'ATOMES DE CUIVRE EXCITÉS ET ORIENTÉS PAR IMPACT D'ÉLECTRONS, EN RELATION AVEC L'ÉNERGIE DES ÉLECTRONS ET LA PRÉSENCE D'UN CHAMP MAGNÉTIQUE

H.‐U. Martyn, Michael v. Hartrott, Gebhard von Oppen

Les atomes de cuivre d'un faisceau atomique, pris dans l'état fondamental 4 s 2S1/2- ont été excités par des électrons de quantité de mouvement initiale parallèle à un champ magnétique statique. On a mesuré, pour différentes énergies ( < 200 eV) et dans la direction perpendiculaire au faisceau d'électrons, la polarisation des raies provenant des niveaux 4 p 2P1/2,3/2- et 4 d 2D3/2, 5/2-, en relation avec le champ magnétique statique (entre 0 et 80 œ). Pour la raie 3 273 Å (2P1/2-2S1/2), en accord avec la théorie, on n'a observé aucune polarisation. En ce qui concerne la raie 3 247 Å (2P3/2-2S1/2), le champ magnétique appliqué était trop faible pour influer sur la polarisation, qui passe de valeurs positives aux basses énergies des électrons à des valeurs négatives pour des énergies plus élevés. Mais, comme les structures hyperfines des niveaux 4 d 2D sont plus faibles, un découplage a été observé, et on a mesuré un accroissement prononcé des raies 5 153 et 5 218 Å (2D3/2-2P1/2 et 2D5/2-2P3/2) quand on passe d'un champ magnétique faible un plus fort. La polarisation atteint sa valeur moyenne entre celles des champs faibles et forts 26 œ pour la raie 5 153 Å et à 11 œ pour la raie 5 218 Å. On discute la polarisation de la raie 5 153 Å par rapport au facteur A et à la durée de vie du niveau 2D3/2 en utilisant la formule de Breit, légèrement modifiée, pour la résonance optique. Le transfert plus important du moment cinétique dans le processus d'excitation rend plus compliqués les calculs de polarisation de la raie 5 218 Å.

Le Journal de Physique Colloques•Jan 1, 1969•0 citations
Des atomes de sodium d'un jet atomique ont été orientés par illumination avec de la lumière de résonance 5 890-5 896 Å polarisée circulairement. Ces atomes orientés ont été utilisés pour effectuer des transitions de résonance magnétique entre les sous-niveaux Zeeman de l'état fondamental 32 $$ S1/z, transitions qui ont été détectées optiquement. A côté des résonances normales correspondant au passage d'un niveau m à un niveau adjacent on observe, lorsqu'on augmente l'amplitude du champ de haute fréquence, des résonances nouvelles très aigues qui font intervenir à la fois trois ou quatre niveaux Zeeman.
La methode optique d'orientation atomique est situee parmi l'ensemble des methodes proposees et mises en oeuvre. L'excitation optique selective des sous-niveaux Zeeman d'un niveau atomique excite se manifeste dans l'etat de polarisation de la lumiere de resonance optique. En excitant des atomes avec de la lumiere de resonance polarisee circulairement, on peut egalement produire une population selective des sous-niveaux Zeeman de l'etat fondamental. Les applications des atomes ainsi orientes sont leur utilisation pour des experiences de resonance magnetique sur l'etat excite et sur l'etat fondamental, la possibilite d'orienter des noyaux atomiques et enfin la production d'electrons polarises par effet photoelectrique des atomes orientes.
La lumière absorbée par une vapeur atomique soumise à un pompage optique transversal varie de manière résonnante lorsqu'on balaie le champ magnétique statique au voisinage du point de croisement en champ nul des sous-niveaux Zeeman de l'état fondamental (effet Hanle). Des résonances analogues apparaissent lorsqu'on effectue le pompage optique transversal de la vapeur atomique dans un champ modulé en amplitude (résonances paramétriques). La très grande finesse des raies ainsi observées sur les atomes alcalins les rend très intéressantes pour la détection et la mesure des champs magnétiques très faibles. On discute les propriétés de ces deux types de résonances et on met en évidence les avantages qu'il y a à utiliser les résonances paramétriques.
Les méthodes de pompage optique et de détection optique ont été employées précédemment pour orienter des atomes alcalins à l'état fondamental et pour étudier les résonances magnétiques entre sous-niveaux Zeeman et niveaux hyperfins de cet état. Nous avons appliqué ces méthodes à l'orientation nucléaire de l'isotope 201 du mercure dont l'état fondamental présente une configuration électronique diamagnétique (état 1S0). Cependant le noyau de cet isotope, de spin I = 3/2, possède un moment magnétique dont l'orientation dans un champ extérieur présente quatre sous-niveaux Zeeman entre lesquels on peut induire des transitions de résonance magnétique nucléaire. Nous obtenons l'alignement nucléaire dans la vapeur saturante pure (échantillon enrichi à 90 % 201Hg) en irradiant la vapeur parallèlement au champ magnétique avec la lumière non polarisée d'une source lumineuse émettant la raie 2 537 Å et contenant soit de l'isotope 198 (qui excite la composante hyperfine 3/2 de 201Hg) soit de l'isotope 204 (qui excite la composante hyperfine 5/2 de 201Hg). Sur une fréquence de résonance de 10 kilocycles par seconde, la résonance, détectée par changement de l'état de polarisation de la lumière de résonance optique, se situe à H0 = 35,6 gauss. La mesure de la largeur des courbes de résonances (inférieure à 10 cycles par sec.) montre que les collisions entre les atomes de mercure et les parois de quartz de la cellule ne désorientent pas les noyaux alors que dans le cas des atomes alcalins, de configuration électronique paramagnétique (état 2S 1/2) une telle désorientation a lieu. Ceci constitue la première mesure directe du moment magnétique du noyau 201Hg.
Des expériences récentes ont montré que l'on peut observer des transitions dipolaires magnétiques n'obéissant pas aux règles de sélection Δm = ± 1,0 (m étant la projection du moment angulaire total de l'atome sur le champ statique H0). L'influence d'un champ magnétique oscillant de pulsation ω sur les sous-niveaux Zeeman d'un atome a été étudiée d'une façon assez détaillée. Trois cas sont à distinguer : 1) Le champ perturbateur est un champ tournant perpendiculaire à H0 (pulsation ω, amplitude H1 ). Il y a résonance chaque fois que la pulsation ω obéit à l'équation E(m) — E(m') = ħω(m — m') E(m) étant l'énergie d'un état m. Au voisinage d'une résonance, il est possible de calculer complètement la probabilité de transition. 2) Le champ oscillant est un champ elliptique (d'orientation quelconque par rapport à H 0). Un nouveau type de résonance apparaît alors. Supposons par exemple J = 1/2 (I = 0) ; en plus de la résonance ħ ω = E(+ 1/2) — E(— 1/2) obtenu dans le 1er cas, on montre qu'il y a résonance chaque fois que la relation pħ ω = E(+ 1/2) — E(—1/2) est vérifiée (p entier quelconque). L'existence de telles transitions peut se comprendre en invoquant la loi de conversation du moment angulaire total du système constitué par l'atome et les photons de radiofréquence. 3) Il y a deux champs oscillants à des fréquences différentes ω et ω' : Dans le cas J = 1/2 I = 0. Il y a résonance chaque fois que E(1/2) — E(—1/2) = ħ(p ω + q ω') (p, q entier positif ou négatif). Dans les trois cas, nous avons calculé les déplacements, largeurs et intensités des résonances en fonction de l'intensité H1 du champ de radiofréquence. Ces théories ont été vérifiées expérimentalement sur l'état fondamental de l'atome de sodium (J = 1/2, I = 3/2). Nous avons employé une vapeur saturante de sodium orientée optiquement en présence d'un gaz étranger. Les résonances sont détectées optiquement. Les vérifications ont porté sur les points suivants : 1) Mise en évidence des résonances multiples, 2) position des résonances, 3) variation de leur largeur et de leur intensité avec H1. En particulier nous avons vérifié que les déplacements des résonances varient toujours comme H 21 alors que la largeur d'une résonance utilisant p quanta varie comme Hp1. L'accord entre la théorie et l'expérience est bon. Nous avons également mesuré les largeurs de raies pour de faibles niveaux de radiofréquence ce qui nous permet de déterminer la largeur de raie provenant de la relaxation. Elle est de l'ordre de 200 cycles.
Nous avons mis au point des expériences sur le pompage optique et la résonance magnétique des vapeurs alcalines dans l'argon à des pressions supérieures à 20 mm Hg. Nous avons observé les résonances Zeeman de Na, K et Rb et les résonances hyperfines de Na et K. Nous avons étudié les intensités relatives des signaux en vue d'obtenir des informations sur la nature exacte du processus de pompage et sur la distribution des populations de spin dans les sous-niveaux de l'état fondamental. On doit tenir compte de deux facteurs principaux pour décrire le pompage. L'un est l'inégale absorption des composantes spectrales de la lumière se traduisant par des différences d'intensité qui peuvent produire un pompage optique à l'arrière de la cellule d'absorption. Les cas les plus simples ont reçu des solutions mathématiques rigoureuses. L'autre facteur est le comportement des atomes dans les états optiquement excités. Nous avons fait le calcul approché de l'intensité du signal d'après l'une ou l'autre des hypothèses suivantes : a) tous les spins sont distribués au hasard parmi les sous-niveaux des états P avant la réémission de lumière et : b) (d'après une suggestion de Dehmelt) seuls les spins électroniques sont distribués au hasard, les,spins nucléaires restant inchangés. Les résultats expérimentaux semblent vérifier l'importance de l'absorption sélective de la lumière. Les intensités des signaux concordent généralement avec l'hypothèse d'une distribution complètement au hasard dans les états excités, sauf par exemple dans le cas du sodium qui est nettement en désaccord avec cette interprétation. Pour le sodium, il semble possible de partir de lumière non polarisée et d'obtenir à l'arrière de la cellule d'absorption environ 90 % de la population dans l'état F = 2 (contre 62 % sans pompage). Si la lumière est polarisée circulairement, la population est de plus concentrée en 3 sous-niveaux magnétiques seulement.
Les atomes de cuivre d'un faisceau atomique, pris dans l'état fondamental 4 s 2S1/2- ont été excités par des électrons de quantité de mouvement initiale parallèle à un champ magnétique statique. On a mesuré, pour différentes énergies ( < 200 eV) et dans la direction perpendiculaire au faisceau d'électrons, la polarisation des raies provenant des niveaux 4 p 2P1/2,3/2- et 4 d 2D3/2, 5/2-, en relation avec le champ magnétique statique (entre 0 et 80 œ). Pour la raie 3 273 Å (2P1/2-2S1/2), en accord avec la théorie, on n'a observé aucune polarisation. En ce qui concerne la raie 3 247 Å (2P3/2-2S1/2), le champ magnétique appliqué était trop faible pour influer sur la polarisation, qui passe de valeurs positives aux basses énergies des électrons à des valeurs négatives pour des énergies plus élevés. Mais, comme les structures hyperfines des niveaux 4 d 2D sont plus faibles, un découplage a été observé, et on a mesuré un accroissement prononcé des raies 5 153 et 5 218 Å (2D3/2-2P1/2 et 2D5/2-2P3/2) quand on passe d'un champ magnétique faible un plus fort. La polarisation atteint sa valeur moyenne entre celles des champs faibles et forts 26 œ pour la raie 5 153 Å et à 11 œ pour la raie 5 218 Å. On discute la polarisation de la raie 5 153 Å par rapport au facteur A et à la durée de vie du niveau 2D3/2 en utilisant la formule de Breit, légèrement modifiée, pour la résonance optique. Le transfert plus important du moment cinétique dans le processus d'excitation rend plus compliqués les calculs de polarisation de la raie 5 218 Å.