氢氧化钇YbOH的[18.57]1.5-X?2Σ+谱带的无场和塞曼光谱

《Journal of Molecular Spectroscopy》：Field-free and Zeeman spectroscopy of the [18.57]1.5-X?2Σ+ band of ytterbium hydroxide, YbOH

　　

• •
  YbOH分子 [18.57]1.5 – X?²Σ⁺⁺ (000-000) 谱带的转动分析。
• •
  R₂₁(N″=0) 和 P₂₂(N″=3) 跃迁的塞曼效应。
• •
  转动常数和磁常数 B_v 与 g_e 表明上态存在混合组态。
• •
  数据可能与基本对称性破缺的测量相关。

引言

YbOH分子多年来一直被视为超越标准模型（BSM）的T破坏性物理实验研究的良好候选分子之一。其中，¹⁷⁴YbOH同位素异构体是电子电偶极矩（eEDM）测量的候选对象，而¹⁷³YbOH同位素异构体则是核磁四极矩（MQM）测量的候选对象，这两者均属BSM相关性质。正如Kozyryev和Hutzler[1]所指出的，YbOH在eEDM和MQM研究中相较于双原子分子具有实验优势，因为其近简并、亚稳的弯曲振动模式具有高极化率。截至2020年，这一主题及YbOH的光谱学已在[2]中进行了详细讨论，并包含大量参考文献。这些实验中适当跃迁的选择取决于高分辨率光谱数据的可获得性。我们在此描述的是利用亚利桑那州立大学（ASU）激光烧蚀源开展的一系列高分辨率光谱实验之一。

YbOH的高分辨率光谱研究主要集中在17,323 cm^?1附近的 ?²Π_1/2?X?²Σ⁺ 原点跃迁上。最初对高温Broida炉源中高J转动谱线的高分辨分析[3]在[4]中作了稍许修正。利用ASU的激光烧蚀分子束源，获得了基态 X?²Σ⁺ 的泵浦探测微波光双共振（PPMODR）数据[5]以及 ?²Π_1/2?X?²Σ⁺ 跃迁激发光谱的激光诱导荧光（LIF）数据[6]。PPMODR实验产生了非常精确的基态 X?²Σ⁺ 常数。LIF实验提供了比[3]中更低J值处更高分辨率的数据，涉及¹⁷²YbOH、¹⁷⁴YbOH和¹⁷⁶YbOH三种同位素异构体，它们在光谱中清晰可辨。该分析得出了三种同位素异构体 ?²Π_1/2(000) 和 X?²Σ⁺(000) 态的参数[6]。近年来的高分辨率光学研究包括对 ?²Π_1/2?X?²Σ⁺ 原点跃迁中¹⁷¹YbOH和¹⁷³YbOH超精细相互作用的分析[7]，以及 ?²Π_1/2(000)?X?²Σ⁺(0110) 谱带中的塞曼效应、Stark效应和¹⁷¹YbOH、¹⁷³YbOH超精细相互作用的测量[8]。从光学塞曼光谱分析中确定的磁g因子对于设计磁光陷阱方案尤为重要，而这些方案对于增强基础物理测量的灵敏度至关重要[9]、[10]。

迄今为止，涉及YbOH中Ω=3/2态跃迁的高分辨率数据一直缺乏。Melville和Coxon[3]在低分辨率下观察到18677 cm^?1处的一条跃迁，比 ?²Π_1/2?X?²Σ⁺ 原点跃迁高1350 cm^?1。这一间隔与类似的YbF分子中 ?²Π_3/2 和 ?²Π_1/2 组分的自旋?轨道分裂相同[11]。该跃迁被指认为YbOH ?²Π_3/2?X?²Σ⁺ 跃迁的000–000谱带。他们还将近似19250 cm^?1处的谱带指认为 ?²Π_3/2?X?²Σ⁺ (100?000) 跃迁。这些谱带未在高分辨率下观察到，且转动结构的分辨率不足以确认上态的Ω=3/2指认。其他低分辨率研究包括在17,200–17,800 cm^?1和20,400–20,650 cm^?1区域进行的质荷选择共振增强双光子电离光谱[12]。同样，没有谱带被指认为 ?²Π_3/2?X?²Σ⁺ 跃迁，但20,473 cm^?1附近的一条谱带被指认为 B²Σ⁺?X?²Σ⁺ 原点跃迁。此外，此前使用2D技术在17,300–17,950 cm^?1区域记录的一些弱谱带被重新指认。本工作的目标是观测和分析涉及Ω=3/2态跃迁的高分辨率光谱。我们在18,570 cm^?1区域以高分辨率观测并分析了一条 Ω=3/2?X?²Σ⁺ 跃迁。

分节摘要

实验

实验细节与我们之前对YbOH ?²Π_1/2?X?²Σ⁺ 原点跃迁的实验和分析完全相同，如[6]中所述。使用ASU激光烧蚀源，通过在甲醇?氩气膨胀环境中烧蚀Yb棒来产生YbOH冷分子束样品，经准直器处理后得到良好准直的分子束。含YbOH的分子束在距源约0.5 m处由单台激光探测。

转动结构

观测到的谱带的一部分如图1（顶部光谱）所示。某些支的谱线存在大量拥挤，但利用基态组合差和自旋?转动分裂（与 ?²Π_1/2?X?²Σ⁺ 原点跃迁中基态的相同[6]），再结合小的同位素位移，极大地促进了谱线的指认，并确认该跃迁为原点谱带。六个观测到的支的首条谱线显示了

转动结构

出于下文将阐述的原因，该跃迁的上态被处理为Hund情形(c)的Ω=1.5态，而非情形(a)的²Π_3/2态。光谱相当复杂，但如上文中方程(1)、(2)、(3)、(4)所示，已从其他跃迁分析中获知的基态组合差和自旋?转动分裂促进了谱线指认。^172,174,176YbOH同位素异构体的光谱被指认并用局部最小二乘法

与A²Π态的比较

此前对 ?²Π_1/2 态的分析[6]假设自旋?轨道常数 A ≈ 1350 cm^?1，对于¹⁷⁴YbOH，得到转动常数 B_v = 0.253052 cm^?1。?²Π_3/2 组分的有效转动常数 B_eff 由[16]给出：$$B_{\mathrm{eff}}～B_{\mathrm{v}}\left(1+B_{\mathrm{v}}/A\right)$$

由此得到预期的 B_eff(?²Π_3/2) ≈ 0.253093 cm^?1。这显著小于¹⁷⁴YbOH [18.57]1.5 态的 B_eff = 0.257416 cm^?1，因此该态不太可能是纯的 ?²Π_3/2 态，而可能是

总结

上述关于 [18.57]1.5?X?²Σ⁺ 跃迁的研究代表了首次对涉及YbOH中Ω=3/2激发态跃迁的高分辨率研究。[18.57]1.5 和 ?²Π_1/2 [6]态的塞曼调谐表明，激发态用Hund情形(c)描述最为恰当。与 ?²Π 态相比，较短的键长（即较大的转动B常数）表明 Yb⁺4f¹³6s²(²F_5/2)OH^? 对该态电子组态有显著贡献。

CRediT 作者贡献声明

C. Linton：撰写——初稿、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理。A.G. Adam：撰写——审阅与编辑、方法论、调查、正式分析、数据管理。T.C. Steimle：撰写——初稿、监督、软件、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了Heising-Simons基金会（资助号20180681）和加拿大自然科学与工程研究理事会（NSERC）（资助号NSERC:RPGIN-2016-03980）的资助。作者感谢Lan Cheng博士在发表前提供其计算结果，感谢Anh T. Le博士和E.T. Mengesha博士在光谱记录与标定方面的协助，以及感谢Dennis W. Tokaryk博士的有益讨论。

C. Linton | A.G. Adam | T.C. Steimle