Étude de l'orientation nucléaire par pompage optique des isotopes impairs stables du cadmium

Laboratoire de Physique de l’École Normale Supérieure (Professeur A. Kastler) 24 rue Lbomond, Paris 5 e, France

Résumé

Partant de l’échec de l'orientation nucléaire du zinc 67 par pompage optique par la raie de résonance 4 ¹S₀ — 4 ¹P₁, nous montrons qu’une telle orientation purement nucléaire, dans un état fondamental diamagnétique, ne peut être obtenue par pompage optique que lorsque la structure hyperfine du niveau excité est au moins du même ordre de grandeur que sa largeur naturelle. Une étude théorique très générale dans le formalisme de la matrice densité nous permet de généraliser les théories antérieures au cas où la structure hyperfine de l’état excité est du même ordre de grandeur ou plus petite que sa largeur naturelle, et au cas où le champ magnétique est assez intense pour découpler partiellement ou totalement les moments angulaires électronique et nucléaire des atomes excités de la vapeur (effet Back-Goudsmit). Des effets nouveaux sont ainsi prévus, notamment la possibilité, pour des valeurs intermédiaires du champ magnétique, d'effectuer le pompage optique d'un spin 1/2 sans polariseurs, ainsi que des déplacements de la fréquence de résonance magnétique des spins nucléaires dans l’état fondamental, d'un type nouveau. Une étude expérimentale détaillée dans le cas des cadmium 111 et 113 pompés optiquement par la raie 5¹S₀ — 5 ¹P₁ à 2 288 A est décrite, qui a permis de vérifier très en détail les résultats théoriques précédemment obtenus. Le signe de la structure hyperfine du niveau S¹P₁, inconnu jusque-là, a été déterminé expérimentalement. En outre, nous décrivons des mesures de grande précision des rapports des moments magnétiques nucléaires des isotopes 111 et 113 du cadmium et 199 du mercure ainsi que l’étude de la relaxation des cadmium 111 et 113 sur des parois de quartz et l’étude théorique et expérimentale de l’orientation nucléaire par pompage optique en champ magnétique très faible, lorsque les sousniveaux Zeeman de l’état fondamental se recouvrent à leur largeur naturelle (thermique et optique) près.

Abstract

Starting with the failure to obtain a nuclear orientation of 67Zn by optical pumping by the line 4 ¹S₀ — 4 ¹P₁ we show that such a nuclear orientation in a diamagnetic ground state may only be achieved by optical pumping if the hyperfine structure of the excited state is at least as large as its natural width. Using the density matrix formalism, we develop a very general theory which applies whatever the hyperfine structure of the excited stater is compared to its natural width and whatever the Zeeman effect of the excited stater compared to its hyperfine structure (Back- Goudsmit effect). Several new effects are predicted, among which an interesting possibility of orientation of a 1/2 spin by optical pumping without a polarizer for intermediate values of the magnetic field and a new type of optical shift of the magnetic resonance frequency in the ground state. A detailed experimental verification of this theory is described in the cases of 111 and 113 Cadmium optically pumped by the line 5¹S₀ — 5 ¹P₁ at 2 288 Â. In this case, the hyperfine structure of the excited 5lP1 state is of the same order of magnitude as its natural width. The sign of this hyperfine structure, previously unknown, is experimentally measured. In addition, two accurate measurements of the ratios of the nuclear moments of ¹¹¹Cd, ¹¹³Cd and ¹⁹⁹Hg are described, the nuclear relaxation of ¹¹¹Cd and ¹¹³Cd in a quartz cell is studied, and a theoretical and experimental study of nuclear orientation by optical pumping in very low magnetic fields is presented. By very low magnetic fields we mean that the Zeeman sublevels in the ground stater are overlapping within their total (thermal plus optical) width.