コヒーレント共鳴励起による２重共鳴の観測

Observation of Crystal-assisted3D Resonant Coherent Excitation コヒーレント共鳴励起による２重共鳴の観測中野祐司A，東俊行A 近藤力B,C，畠山温B，小牧研一郎B 山崎泰規B,C，中井陽一C 高田栄一D，村上健D A首都大学東京・理工学研究科 B東京大学・総合文化研究科 C理化学研究所・原子物理研究室 D放射線医学総合研究所

研究内容 ・面チャネリング条件下のコヒーレント共鳴励起（2D-RCE） -impact parameterに依存した物理現象，共鳴過程 -厚さ23μmの極薄SSDの製作（エッチング，蒸着）・ランダム入射条件下のコヒーレント共鳴励起（3D-RCE） -厚さ1μmの標的結晶 -共鳴ダイナミクスの理解・コヒーレント共鳴励起による2重共鳴 -V type（2D-RCE） -Ladder type （2D-RCE） →　2電子励起状態の観測 -Λ type （3D-RCE） →　Rabi周波数の測定

コヒーレント共鳴励起 Resonant Coherent Excitation (RCE) Si結晶高エネルギーイオン d ~1Å ・周期ポテンシャル中の粒子放射線医学総合研究所重イオン加速器HIMAC v ~0.7c X線領域(~keV)の疑似光子・光励起

結晶場 E g1 g2 g3 v g : 逆格子ベクトル Multi-color Light ion Coherent Light Linearly-polarized Light 結晶内電子・核との相互作用・電子捕獲・衝突励起・衝突イオン化 →コヒーレンスの緩和高エネルギーの重イオンを使うことで衝突断面積を抑制．コヒーレンスの緩和は自然放出による緩和と同程度！

３次元コヒーレント共鳴励起 標的結晶の回転（θ，φ） || 周波数の変調 Si(220)面 ：ローレンツ因子 a：格子定数 v：イオンの速度 (k,l,m)：ミラー指数

観測方法 1cm 2次元位置検出器 (PSD) 励起状態のイオンは結晶内電子との衝突によって電離しやすい X線検出器価数選別マグネット標的結晶 (m厚) 横スリット (0.2mm) ~400MeV/u H-like Ar17+ He-like Ar16+ He-like Fe24+ from HIMAC コリメータ (6mm) γ〜1.4 β〜0.7

2重共鳴 C. H. Townes 日本物理学会誌　２００５年１２月号

2重共鳴 (0,0,2) (1,-1,2) 次数の異なる周波数成分を用いて2重共鳴条件を満たす．２つの周波数成分を独立に制御

荷電分布による測定

荷電分布 1s2p 1s2p 1s2s 1s2s 1s2 1s2 16+ 17+ 18+ ・φ = 0.128 deg. θ ・φ = 0.198 deg. θ He-like Ar16+

21S成分の観測 1s2s foil without foil with foil 1s2p 1s2 Si結晶 1s2p 5.7x10-14 s 1s2s 2.3x10-9 s 1s2

Autler-Townes Splitting Dressed atom S. H. Autler and C. H. Townes, Phys. Rev., 100, 703 (1955). Hst=Hatom Hst=Hatom+Hfield 21P hc Coupling 21S Probe Rabi Oscillation 11S ：遷移行列要素 E0：振動電場の振幅 c：離調周波数（detuning）

Avoided-level crossing c=0 Dressed State Energy 実験結果

Rabi振動 E0=3.4eV c=0のとき 振動数0は， Dressed State Energy 従ってイオンは0.38μmの周期で21P - 21S間をRabi振動している．

脱励起光（X線）による測定

双極子放射の角度分布 X-ray detector (Perpendicular) Perpendicular 2py+2pz 3139eV X-ray x 2px z X-ray Parallel X-ray detector (Parallel) 3139eV X-ray 2px +2pz 2p→1s（脱励起）過程特定の磁気副準位からの発光を選択的に観測することが可能．

振動電場の偏光 2py 2pz 2s 2px 2s 2px (0,0,2) 2py 2pz (1,-1,2) エネルギー固有値振動電場の偏光方向 x方向に偏光した振動電場

測定結果

まとめ ・結晶場によるコヒーレント共鳴励起において，　次数の違う周波数成分を用いて2重共鳴実験を行った． → V, Ladder, Λ-typeにおいて2重共鳴励起を観測．・結晶場の強い相互作用によるAutler-Townes Doublet (AC-Stark効果)が観測され，Rabi振動の測定に成功． → RCEの強電磁場によってドレスト状態が実現．・ビーム-フォイル技術やX線の異方性などのアプローチから励起状態の磁気副準位に関する情報を得た． →RCEに対する詳細なダイナミクスの解明．

共鳴スペクトル 2p3/2 2p1/2 n=2 3323eV 3318eV 1s 5eV 2p1/2 390MeV/u H-like Ar17+ (k, l, m) = (1,1,0) 2p3/2 エネルギー分解能 << 1eV @ ~3keV

観測方法 入射イオン出射イオン Si結晶 Aq+ Aq+ Ionization RCE A(q+1)+ Ionization 荷電分布共鳴励起によって透過イオンの生き残り割合が減少

結果 H-like Ar17+ He-like Fe24+ 2p1/2 2p3/2 1s2p1P これまで．．．軸channeling 面channeling 3次元コヒーレント共鳴励起

channeling - random 電子密度 random (3D-RCE) 原子面原子列 channeling (2D-RCE) 原子面電子密度低高 front view side view 電子密度の低い空間を選択的に通過面ポテンシャルをDC電場として感じる

channelingとの比較 面channeling入射だと．．． H-like Ar17+ He-like Fe24+ 3D-RCE channeling Stark効果による広がり

結果 channelingからはずれていく様子．ピークが分裂し，細くなっていく．脱励起X線の観測．横切る面の向きによって異方性がある． →偏光情報の取り出し

まとめ 1D-RCE 2D-RCE これまで，channeling条件下でのみ観測されていた． Stark広がり multi-pole遷移・高エネルギーイオン(~14GeV) ・極薄結晶(~1m) ・生き残り割合の増加・コヒーレンスの向上 3D-RCE random入射条件における３次元コヒーレント共鳴励起を観測 Stark Free dipole遷移 outlook ・結晶厚依存性．・X線領域の高分解能分光・２つの周波数成分を用いた２重共鳴極薄結晶(~1m)

まとめ high energyのイオン→良いコヒーレンス極薄結晶→ランダムでもchargeによる観測３次元コヒーレント共鳴励起・・・３次元の次数を反映したディップの分裂を観測． Starkが消失振動電場の位置依存性が消失・・・シャープなピーク，mixingによるシフトなし　　　禁制？？？，モンテカルロでなくレート方程式で解ける？

まとめ２ これまではchannelingで観測していたが，ランダムで観測する結晶中で振動電場を感じることによる３次元コヒーレント共鳴励起を観測． →共鳴位置は

３次元共鳴条件 共鳴条件面channeling 390MeV/u Ar17+ 1s → 2p3/2 Etrans：遷移エネルギー channeling random  [deg.]  [deg.]

H-like Ar17+ φ=0 φ=0.007 φ=0.012 φ=0.02 φ=0.03 φ=0.04 φ=0.05 φ=0.06 φ=0.08 φ=0.1 チャネリング臨界角（quasi-channling） planar channling

He-like Fe24+ He-like Fe24+ 1s2→1s2p

Typical resonance profile (charge state) excitation of 1s electron of H-like Ar17+into n=2 1) Beam: 390MeV/u H-like Ar17+ 2) Target: Si crystal (21m) Survived ion fraction Survived ion fraction

Energy levels of hydrogen-like system Ar17+ Due to angular momentum and spin (l-s) interaction 2p3/2 4.82 eV 2s 2p1/2 E1 2E1(M1) 3323.0 eV E1 3318.2 eV 1s 1.15 eV 1s Lamb shift

コヒーレント共鳴励起(RCE) 共鳴条件・面チャネリング(2D-RCE) ・軸チャネリング(1D-RCE) 周期的原子による振動電場周期的原子列による振動電場

コヒーレント共鳴励起 観測方法　・荷電分布　・脱励起X線 ionization radiative decay resonant coherent excitation ionization resonant coherent de-excitation

非チャネリング入射 random 結晶面面channeling （φ=0） φ coherence loss? random入射→標的原子核/電子密度の濃いところを通過生き残り割合の厚さ依存性 390MeV/u H-like Ar17+ 380MeV/u Ar16+ → 28m Si Calculated by ETACHA 高い入射エネルギー薄い標的結晶

1μm厚Si結晶 1cm １ (220) plane 1.92Å 1μm 出射角・ランダム入射でも約70%生き残る．・軌道と出射角がユニークに対応．・チャネリングすると出射角が広がる．軌道

出射角度 共鳴 ↓ イオン化 ↓ 生き残り確率減少 Survived fraction 結晶面 ↓ チャネリング ↓ 生き残り確率増加出射角広がる s  [deg.]

1μm面チャネリングRCE 2p3/2 2p1/2 n=2 3323eV 3318eV 1s μm 2D-RCE μm 2D-RCE 390MeV/u H-like Ar17+ (k, l)=(1,1) ・l-s interaction ・Stark effect 結晶面近くを通過したイオンのみ切り出し小さい共鳴（~5%）共鳴幅が広い

観測方法 Si結晶脱励起X線 Radiative Decay X-Ray 荷電分布 Ionization RCE 出射イオン入射イオン

背景 1960 1965 V.V.Okorokovにより提唱 1970 1978 軸チャネリングで観測 (S.Datz et al.) 1980 面チャネリングで観測 (S.Datz et al.) 1980 1988 脱励起X線による観測 (F.Fujimoto et al.) 1990 1996 表面チャネリングで観測 (K.Kimura et al.) 2000 2004 ランダム（非チャネリング）イオンで観測

コヒーレント共鳴励起による ２重共鳴の観測