Single atomic particle at rest in free space : new value for electron radius

Department of Physics, University of Washington, Seattle, Washington 98195, U.S.A.

Abstract

Zero-point confinement in a suitable trap is briefly discussed as a quantum-mechanical equivalent of the classical single particle at rest in free space. So far, such confinement has been realized only for the 150 GHz cyclotron motion in geonium, a single electron permanently confined in a Penning trap. The most important result of mono-ion spectroscopy is a new, 10 000 times smaller, radius for the electron. This result was obtained by analyzing our g-factor data, g/2 = 1.001 159 652 193 (4), on the basis of a near-Dirac particle model. RF spectroscopy in geonium relies on the Continuous Stem Gerlach Effect in which a spin flip is detected as a small change in the ~ 60 MHz axial oscillation frequency of the electron in the trap. The Kaufmann Effect or relativistic mass shift may become a superior alternative : operating a geonium apparatus as a frequency selective mini-synchro-cyclotron has produced an easily detectable shift in the axial frequency. Like in Habann's 1926 split-anode magnetron, energy is quickly transferred from the oscillating electron to a resonant circuit, but by us for the purpose of detection, damping and cooling of the oscillatory motion. Conversely, localizing the electron to ~ 60 μm in the node of a standing wave in the trap cavity, where this cavity looks like a short, when it is resonant with the cyclotron motion, has made it possible to decrease the natural line width ten-fold. By driving the axial frequency not on resonance but on a side band higher by the ~ 12 kHz magnetron frequency, it has been possible to force the magnetron motion to absorb the excess in the photon energy and thereby shrink the magnetron radius to ~ 15 μm. By an analogous laser spectroscopic procedure the oscillation amplitude of a Ba+ ion in a different trap has been reduced to ~ 120 nm or less. Like in Nuclear Magnetic Resonance, confinement is now much smaller than the wave length and no motional side bands appear in the optical spectrum. Such a mono-ion oscillator, but using Tl+ or a similar ion, may make an optical frequency standard with a 1 000-day reproducibility of 10 -18 possible and thereby allow one to watch the expansion of the universe from one's laboratory.

Résumé

Nous décrivons brièvement l'équivalent quantique d'une particule classique unique au repos dans l'espace libre : le confinement de point zéro dans un piège. Jusqu'à maintenant, ce confinement n'a été réalisé que pour le mouvement cyclotron (150 GHz) du géonium. un électron unique confiné dans un piège de Penning. Le résultat le plus important de la spectroscopie de particules piégées est un nouveau rayon de l'électron, 10 000 fois plus petit. Ce résultat a été obtenu à partir des données concernant le facteur g, g/2 = 1,001 159 652 193 (4), et sur la base d'un modèle de particule voisin du modèle de Dirac. La spectroscopie RF du géonium repose à l'heure actuelle sur l'effet Stern et Gerlach continu, dans lequel un basculement de spin est détecté grâce au faible changement qu'il induit sur la fréquence d'oscillation axiale de l'électron dans le piège (60 MHz). La variation relativiste de la masse, ou effet Kaufmann, pourrait s'avérer être à la base d'une méthode plus sensible : l'utilisation du géonium comme un mini-synchro-cyclotron sélectif en fréquence permet en effet de produire un déplacement aisément détectable de la fréquence axiale. Comme dans le magnétron « split-anode » de Habann (1926), l'énergie est rapidement transférée de l'électron oscillant vers un circuit résonnant, ce transfert servant dans notre expérience à la détection, au freinage et au refroidissement du mouvement oscillant. Nous avons ainsi pu localiser l'électron sur 60 μm, au nœud d'une onde stationnaire formée dans la cavité du piège, cette cavité étant résonnante et se comportant alors comme un court-circuit; ceci a permis une diminution de la largeur naturelle de la raie détectée par un facteur 10. En excitant le mouvement axial par une raie décalée de la résonance « vers le bleu », d'une quantité égale à la fréquence magnétron (12 kHz), nous avons pu transférer au mouvement magnétron l'énergie correspondant au décalage de fréquence et ainsi réduire le rayon magnétron à 15 μm. Par une procédure analogue, en spectroscopie laser, l'amplitude d'oscillation d'un ion Ba+ piégé a été réduite à moins de 120 nm. Comme en RMN, la région de confinement est maintenant beaucoup plus petite que la longueur d'onde, et aucune raie latérale due au mouvement n'apparaît dans le spectre optique. Un tel oscillateur, fonctionnant avec un ion Tl+ ou un ion similaire, pourrait constituer un standard de fréquence optique avec une reproductibilité de 10-18 sur 1 000 jours et pourrait ainsi permettre l'observation de l'expansion de l'univers en laboratoire.