<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Phys.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Physics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Phys.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-424X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">1086980</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fphy.2023.1086980</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Physics</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Measuring the nuclear magnetic quadrupole moment in heavy polar molecules</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Ho et al.</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.3389/fphy.2023.1086980">10.3389/fphy.2023.1086980</ext-link>
</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Ho</surname>
<given-names>C. J.</given-names>
</name>
<xref ref-type="fn" rid="fn1">
<sup>&#x2020;</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2079591/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Lim</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2119389/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Sauer</surname>
<given-names>B. E.</given-names>
</name>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/136567/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Tarbutt</surname>
<given-names>M. R.</given-names>
</name>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/130367/overview"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff>
<institution>Blackett Laboratory</institution>, <institution>Centre for Cold Matter</institution>, <institution>Imperial College London</institution>, <addr-line>London</addr-line>, <country>United Kingdom</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1287508/overview">Michael Charlton</ext-link>, Swansea University, United Kingdom</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2080791/overview">Klaus Jungmann</ext-link>, University of Groningen, Netherlands</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1117485/overview">Dmitry Budker</ext-link>, Helmholtz Institute Mainz, Germany</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: M. R. Tarbutt, <email>m.tarbutt@imperial.ac.uk</email>
</corresp>
<fn fn-type="equal" id="fn1">
<label>
<sup>&#x2020;</sup>
</label>
<p>
<bold>Present address:</bold> C. J. Ho,Cavendish Laboratory, University of Cambridge, Cambridge, United Kingdom</p>
</fn>
<fn fn-type="other">
<p>This article was submitted to Atomic and Molecular Physics, a section of the journal Frontiers in Physics</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>02</day>
<month>02</month>
<year>2023</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2023</year>
</pub-date>
<volume>11</volume>
<elocation-id>1086980</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>01</day>
<month>11</month>
<year>2022</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>19</day>
<month>01</month>
<year>2023</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2023 Ho, Lim, Sauer and Tarbutt.</copyright-statement>
<copyright-year>2023</copyright-year>
<copyright-holder>Ho, Lim, Sauer and Tarbutt</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>Theories that extend the Standard Model of particle physics often introduce new interactions that violate charge-parity (CP) symmetry. Charge-parity-violating effects within an atomic nucleus can be probed by measuring its nuclear magnetic quadrupole moment (MQM). The sensitivity of such a measurement is enhanced when using a heavy polar molecule containing a nucleus with quadrupole deformation. We determine how the energy levels of a molecule are shifted by the magnetic quadrupole moment and how those shifts can be measured. The measurement scheme requires molecules in a superposition of magnetic sub-levels that differ by many units of angular momentum. We develop a generic scheme for preparing these states. Finally, we consider the sensitivity that can be reached, showing that this method can reduce the current uncertainties on several charge-parity-violating parameters.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>nuclear magnetic quadrupole moment</kwd>
<kwd>CP-violation experiment</kwd>
<kwd>low energy tests of fundamental physics</kwd>
<kwd>beyond standard model</kwd>
<kwd>fundamental physics with molecules</kwd>
</kwd-group>
<contract-num rid="cn001">ST/S000011/1</contract-num>
<contract-num rid="cn002">G-2019-12505</contract-num>
<contract-sponsor id="cn001">Science and Technology Facilities Council<named-content content-type="fundref-id">10.13039/501100000271</named-content>
</contract-sponsor>
<contract-sponsor id="cn002">Alfred P. Sloan Foundation<named-content content-type="fundref-id">10.13039/100000879</named-content>
</contract-sponsor>
<contract-sponsor id="cn003">Gordon and Betty Moore Foundation<named-content content-type="fundref-id">10.13039/100000936</named-content>
</contract-sponsor>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>The observed baryon asymmetry in the Universe is one of the important unsolved problems in cosmology. Possible models that can lead to this asymmetry are discussed in Refs. [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>]. One such model is due to Sakharov, where the asymmetry can arise under conditions of baryon number violation, C and CP-violation, and thermal non-equilibrium [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>]. The Standard Model cannot account for the observed asymmetry [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>], motivating theories beyond the Standard Model to introduce new sources of CP-violation [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>]. Equivalently, since these theories respect CPT symmetry [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>], they introduce new sources of T-violation. An elementary particle with a permanent electric dipole moment (EDM) violates both P and T symmetries [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>], and measurements of these EDMs have been exceptionally fruitful in testing physics beyond the Standard Model. Paramagnetic molecules such as <sup>174</sup>YbF [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>], <sup>232</sup>ThO [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>] and <sup>180</sup>HfF<sup>&#x2b;</sup> [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>] are excellent probes of P,T-violating physics. These molecules are primarily sensitive to the electron EDM, <italic>d</italic>
<sub>
<italic>e</italic>
</sub>, and the scalar P,T-violating electron-nucleon interaction, <italic>C</italic>
<sub>
<italic>S</italic>
</sub>. The most precise measurement thus far, in ThO, constrains new CP-violating interactions to mass scales above 30&#xa0;TeV in some models and above 3&#xa0;TeV in most [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>].</p>
<p>These electron EDM measurements use paramagnetic molecules with a heavy atom of zero nuclear spin, <italic>I</italic> &#x3d; 0. As a result, they are not sensitive to P,T-violating nuclear moments<xref ref-type="fn" rid="fn2">
<sup>1</sup>
</xref>. Instead, one can use isotopes with nuclear spin to probe CP-violating effects within the nucleus. The lowest-order P,T-violating nuclear moment is the EDM (which requires <italic>I</italic> &#x2265; 1/2), but that is effectively screened by the outer electrons [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>]. The screening is incomplete due to the finite size of the nucleus [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>], but in paramagnetic atoms and molecules the remaining effect (the nuclear Schiff moment) is negligible compared to the contribution from the electron EDM. Conversely, in diamagnetic atoms and molecules the contribution from the electron EDM is small and the Schiff moment can be probed. At present, the most stringent limits on the size of nucleon EDMs and P,T-violating nucleon-nucleon interactions come from a measurement of the nuclear Schiff moment of <sup>199</sup>Hg [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>], a diamagnetic atom with <italic>I</italic> &#x3d; 1/2. An experiment is being constructed that aims to improve on these constraints by measuring the Schiff moment of <sup>205</sup>Tl in a beam of TlF molecules, taking advantage of the strong polarisation in an electric field due to the small splitting between opposite parity rotational states [<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>]. Since the Schiff moment is a screened effect, it is interesting to consider the effect of higher-order moments. The next-order nuclear moment of interest is the magnetic quadrupole moment (MQM) (requires <italic>I</italic> &#x2265; 1), which is not screened and can contribute significantly to the P,T-violating energy shifts of atoms and molecules.</p>
<p>A spherical nucleus can acquire an MQM from the EDM of its valence proton or neutron [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>], or from P,T-odd nucleon-nucleon interactions involving the valence nucleon [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>]. If we denote the total nuclear MQM as <italic>M</italic> and the contribution to the MQM from a single proton or neutron as <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m1">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>, then for these nuclei we have <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m2">
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>. In nuclei with quadrupole deformation, there are many nucleons in open shells which collectively contribute to the nuclear MQM, which can increase <italic>M</italic> by an order of magnitude [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>]. Furthermore, the interaction of the nuclear MQM with the magnetic moment of the valence electron in the molecule is enhanced by relativistic effects due to the heavy atom [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>]. <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref> summarizes these effects for isotopologues of molecules currently used for electron EDM experiments.</p>
<table-wrap id="T1" position="float">
<label>TABLE 1</label>
<caption>
<p>Properties of certain molecules relevant for a nuclear MQM measurement. The selected molecules are ones currently being used or explored for electron EDM measurements. The P,T-violating energy shift due to a nuclear MQM, <italic>M</italic>, is proportional to <italic>W</italic>
<sub>
<italic>M</italic>
</sub>
<italic>M</italic>, where <italic>W</italic>
<sub>
<italic>M</italic>
</sub> is the interaction strength. We list the nuclear spin, parity, quadrupole deformation (<italic>&#x3b2;</italic>
<sub>2</sub>), <italic>M,</italic> and <italic>W</italic>
<sub>
<italic>M</italic>
</sub>. The collective enhancement of <italic>M</italic> due to the deformation of the nucleus was calculated in [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>] using different nuclear orbitals, and expressed in terms of the single-nucleon contributions to the MQM, <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m3">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="center">Molecule</th>
<th align="center">
<italic>I</italic>
<sup>
<italic>&#x3c0;</italic>
</sup>
</th>
<th align="center">
<italic>&#x3b2;</italic>
<sub>2</sub> (Ref. [<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>])</th>
<th align="center">
<italic>M</italic> (Ref. [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>])</th>
<th align="center">
<italic>M</italic> (Ref. [<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>])</th>
<th align="center">
<italic>W</italic>
<sub>
<italic>M</italic>
</sub> (10<sup>33</sup>Hz/(e&#x2009;cm<sup>2</sup>))</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="center">
<sup>137</sup>BaF</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m4">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">0.053</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m5">
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1.2</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">&#x2014;</td>
<td align="center">&#x2212;0.385 [<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>]</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">
<sup>173</sup>YbF</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m6">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">0.300</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m7">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m8">
<mml:mn>14</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>26</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">&#x2212;1.055 [<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>]</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">
<sup>173</sup>YbOH</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m9">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">0.300</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m10">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m11">
<mml:mn>14</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>26</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">&#x2212;1.067 [<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>]</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">
<sup>229</sup>ThO</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m12">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">0.184</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m13">
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>19</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m14">
<mml:mn>13</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>27</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">1.10 [<xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>]</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">
<sup>177</sup>HfF<sup>&#x2b;</sup>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m15">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">0.277</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m16">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>19</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>14</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m17">
<mml:mn>17</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>42</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">0.494 [<xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>]</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">
<sup>179</sup>HfF<sup>&#x2b;</sup>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m18">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>9</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">0.267</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m19">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>13</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>13</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m20">
<mml:mn>20</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>50</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">0.494 [<xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>]</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">
<sup>229</sup>ThF<sup>&#x2b;</sup>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m21">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">0.184</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m22">
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>19</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m23">
<mml:mn>13</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>27</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">0.88 [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>]</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>In this paper, we consider how to make a measurement of nuclear MQMs using heavy, polar molecules. We first calculate the size of energy shifts in various states of a molecule due to the nuclear MQM. We then describe a procedure for preparing the molecules in the states most sensitive to the MQM. In particular, we introduce a generic state preparation and readout method which utilises the large tensor Stark shifts in molecules to induce a high-order coupling between the two states used for the measurement. Finally, we assess the sensitivity of such an experiment to CP-violating parameters in the hadronic sector, and compare this to other experiments such as Schiff moment or neutron EDM measurements. Our analysis applies to a wide range of molecules, though we will often use <sup>173</sup>YbF as a specific example. The nuclear spin of <sup>173</sup>Yb is 5/2, while that of <sup>19</sup>F is 1/2. We note that the advantages of polyatomic molecules for measuring MQMs and other CP-violating effects are outlined in Ref. [<xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>].</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 MQM energy shift in molecules</title>
<p>We consider a molecule in a <sup>2</sup>&#x3a3; state with electron spin <bold>S</bold> and rotational angular momentum <bold>N</bold>. The nucleus of interest has spin <bold>I</bold>. The molecule is in an electric field <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m24">
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> which is parallel to <italic>z</italic>. A suitable effective Hamiltonian is<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m25">
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>rot</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>Stark</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>hyp</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>M</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>where <italic>H</italic>
<sub>rot</sub> &#x3d; <italic>B</italic>
<bold>N</bold>
<sup>2</sup> is the rotational energy, <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m26">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>Stark</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> describes the Stark shift, <italic>H</italic>
<sub>hyp</sub> describes the hyperfine interactions, and <italic>H</italic>
<sub>M</sub> describes the nuclear MQM interaction. Here, <italic>B</italic> is the rotational constant and <inline-formula id="inf88">
<mml:math id="m120">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the electric dipole moment operator. The nuclear MQM interaction can be written as<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m27">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>M</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="bold">S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>where <bold>n</bold> is a unit vector along the internuclear axis and <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m28">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a second-rank tensor whose components are <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m29">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>]. With the help of appendices 8.1 and 8.2 of Ref. [<xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>], we can re-write this in spherical tensor notation as<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m30">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>M</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>20</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">S</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">Q</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>where T<sup>(1)</sup>(<bold>S</bold>, <bold>I</bold>
<sup>(2)</sup>) is a rank-1 tensor constructed from <bold>S</bold> and <bold>I</bold>
<sup>(2)</sup>; the latter is a rank-2 tensor constructed from the nuclear spin <bold>I</bold>. We see that the MQM interaction has been simplified to a vector <bold>Q</bold> that acts along the symmetry axis of the molecule, <italic>z</italic>&#x2032;.</p>
<p>To keep the calculation simple, we first neglect <italic>H</italic>
<sub>hyp</sub>. Its effects are considered later. We find it advantageous to use a basis where the rotational and spin wavefunctions are separated, so we choose the basis set denoted by &#x7c;<italic>G</italic>, <italic>M</italic>
<sub>
<italic>G</italic>
</sub>; <italic>N</italic>, <italic>M</italic>
<sub>
<italic>N</italic>
</sub>&#x27e9;, where <bold>G</bold> &#x3d; <bold>S</bold> &#x2b; <bold>I</bold> is the total spin and <italic>M</italic>
<sub>
<italic>G</italic>
</sub> and <italic>M</italic>
<sub>
<italic>N</italic>
</sub> are the projections of <bold>G</bold> and <bold>N</bold> on the laboratory <italic>z</italic>-axis. <italic>H</italic>
<sub>rot</sub> &#x2b; <italic>H</italic>
<sub>Stark</sub> is diagonal in <italic>G</italic>, <italic>M</italic>
<sub>
<italic>G</italic>
</sub> and <italic>M</italic>
<sub>
<italic>N</italic>
</sub>, but the electric field mixes states of different <italic>N</italic>. After diagonalizing <italic>H</italic>
<sub>rot</sub> &#x2b; <italic>H</italic>
<sub>Stark</sub> we obtain the eigenfunctions <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m31">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false" form="prefix">&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> and corresponding eigenvalues <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m32">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>. Here, <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m33">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a label which connects a state adiabatically to its field-free state.</p>
<p>The energy shift due to <italic>H</italic>
<sub>
<italic>M</italic>
</sub> is<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m34">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>M</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>M</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>In this equation, <italic>&#x3b6;</italic> depends only on the electron and nuclear spins and is evaluated in <xref ref-type="app" rid="app1">Appendix A</xref>, whereas <italic>&#x3b7;</italic> is independent of the spins and expresses the degree of alignment between the internuclear axis of the molecule and the laboratory <italic>z</italic>-axis, often known as the polarization factor. It is given by<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m35">
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>mol</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>where <italic>&#x3bc;</italic>
<sub>mol</sub> is the dipole moment along the internuclear axis. <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref> shows the evaluation of <italic>&#x3b6;</italic> for a few selected values of <italic>S</italic> and <italic>I</italic>. In all the examples given in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>, the largest MQM energy shift is found for the states &#x7c;<italic>G</italic>, <italic>M</italic>
<sub>
<italic>G</italic>
</sub> &#x3d; &#xb1;<italic>G</italic>&#x27e9;, where <italic>G</italic> does not take its maximum possible value. It is interesting that the configuration where the electron and nuclear spins are parallel is not the one most sensitive to the nuclear MQM. We find this to be true for larger values of <italic>S</italic> and <italic>I</italic> as well.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>Values of <italic>&#x3b6;</italic> in hyperfine states &#x7c;<italic>G</italic>, <italic>M</italic>
<sub>
<italic>G</italic>
</sub>&#x27e9;, for <bold>(A)</bold> <italic>S</italic> &#x003D; 1/2, <italic>I</italic> = 1; <bold>(B)</bold> <italic>S</italic> &#x003D; 1/2, <italic>I</italic> &#x003D; 3/2; <bold>(C)</bold> <italic>S</italic> &#x003D; 1, <italic>I</italic> &#x003D; 1. These are calculated using Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="eA6">A6</xref>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-11-1086980-g001.tif"/>
</fig>
<p>Now we consider the effect of <italic>H</italic>
<sub>hyp</sub>, which includes the spin-rotation interaction, the magnetic dipole hyperfine interaction and the electric quadrupole hyperfine interaction [<xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>]. To handle this, we introduce the spin of the second nucleus <bold>I</bold>
<sub>2</sub>, an intermediate angular momentum <bold>F</bold>
<sub>1</sub> &#x3d; <bold>G</bold> &#x2b; <bold>N</bold> and the total angular momentum <bold>F</bold> &#x3d; <bold>F</bold>
<sub>1</sub> &#x2b; <bold>I</bold>
<sub>2</sub>. Using the field-free coupled basis, &#x7c;<italic>N</italic>, <italic>G</italic>, <italic>F</italic>
<sub>1</sub>, <italic>F</italic>, <italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub>&#x27e9;, we diagonalize <italic>H</italic>
<sub>rot</sub> &#x2b; <italic>H</italic>
<sub>Stark</sub> &#x2b; <italic>H</italic>
<sub>hyp</sub> to find the new eigenstates <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m36">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> which are adiabatically linked to the field-free states. Then, we calculate the MQM energy shift<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m37">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>M</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>The matrix elements needed to calculate &#x394;<italic>E</italic>
<sub>
<italic>M</italic>
</sub> are given in <xref ref-type="app" rid="app1">Appendix A</xref>.</p>
<p>Although Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">6</xref> will be more accurate than Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">4</xref>, we expect the latter to work well for most <sup>2</sup>&#x3a3; molecules since they have no spin-orbit coupling and the largest spin-rotation coupling is typically much smaller than the hyperfine and rotational energies. As a concrete example, for the <sup>2</sup>&#x3a3; ground state of <sup>173</sup>YbF, the electron-spin-rotation coupling strength is <italic>&#x3b3;</italic> &#x3d; &#x2212;13&#xa0;MHz, the hyperfine Fermi contact strength between the electron and Yb nuclear spins is <italic>b</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub>(Yb) &#x3d; &#x2212;1.98 GHz, and the rotational constant is <italic>B</italic> &#x3d; 7.24&#xa0;GHz [<xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>]. The fluorine nucleus has spin <italic>I</italic>
<sub>2</sub> &#x3d; 1/2 but this gives rise to a much smaller hyperfine splitting than that of the Yb nucleus (<italic>b</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub>(F) &#x3d; 0.17&#xa0;GHz). Consequently, the decoupled basis <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m38">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>I&#x2d9;</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> is a good first approximation to the exact eigenstates.</p>
<p>
<xref ref-type="table" rid="T2">Table 2</xref> lists the MQM energy shifts of all states that correlate to the lowest rotational level of ground state <sup>173</sup>YbF, in a static electric field of 18&#xa0;kV/cm. At this field, the polarization factor is <italic>&#x3b7;</italic> &#x3d; 0.676. We have given both &#x394;<italic>E</italic>
<sub>M</sub> calculated using Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">6</xref> and the approximate result <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m39">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>M</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> calculated using Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">4</xref>. The two sets of results are similar, as we would expect from the arguments above. These states, together with the MQM energy shifts, are shown pictorially in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref>. The large splitting between the <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m40">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m41">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula> states comes from the hyperfine interaction between the electron spin and the Yb nuclear spin. The much smaller splitting into states with <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m42">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> is due to the interaction with the F nuclear spin. States of the same <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m43">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m44">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> but different &#x7c;<italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub>&#x7c; are split by the tensor part of the Stark interaction. This is small for the state with <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m45">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>, but much larger for all other states. In the absence of the MQM or other <italic>P</italic>, <italic>T</italic>-violating interactions, states of the same <inline-formula id="inf40">
<mml:math id="m46">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are degenerate. The MQM interaction lifts this degeneracy by the amounts indicated in the figure.</p>
<table-wrap id="T2" position="float">
<label>TABLE 2</label>
<caption>
<p>MQM energy shifts for states correlating to the lowest rotational level of <sup>173</sup>YbF, in an electric field of 18&#xa0;kV/cm. We have dropped <inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m47">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> from the state notation since <inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m48">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for these states. The second column gives &#x394;<italic>E</italic>
<sub>M</sub> calculated using Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">6</xref>. The fourth column gives <italic>&#x3b6;</italic> calculated using Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="eA6">A6</xref> and the fifth column gives <inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m49">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>M</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> calculated using Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">4</xref>.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="center">
<inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m50">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">&#x394;<italic>E</italic>
<sub>M</sub>(<italic>W</italic>
<sub>
<italic>M</italic>
</sub>
<italic>M</italic>)</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m51">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>F</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>F</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<italic>&#x3b6;</italic>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m52">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>M</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="center">&#x7c;0, 2, 5/2, &#xb1;5/2&#x27e9;</td>
<td align="center">&#xb1;0.211</td>
<td align="center">&#x7c;2, &#xb1;2&#x27e9;&#x7c;1/2, &#xb1;1/2&#x27e9;</td>
<td align="center">&#xb1;14/45</td>
<td align="center">&#xb1;0.210</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">&#x7c;0, 2, 5/2, &#xb1;3/2&#x27e9;</td>
<td align="center">&#xb1;0.208</td>
<td align="center">&#x7c;2, &#xb1;2&#x27e9;&#x7c;1/2, &#x2213;1/2&#x27e9;</td>
<td align="center">&#xb1;14/45</td>
<td align="center">&#xb1;0.210</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">&#x7c;0, 2, 5/2, &#xb1;1/2&#x27e9;</td>
<td align="center">&#xb1;0.094</td>
<td align="center">&#x7c;2, &#xb1;1&#x27e9;&#x7c;1/2, &#x2213;1/2&#x27e9;</td>
<td align="center">&#xb1;7/45</td>
<td align="center">&#xb1;0.105</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">&#x7c;0, 2, 3/2, &#xb1;3/2&#x27e9;</td>
<td align="center">&#xb1;0.110</td>
<td align="center">&#x7c;2, &#xb1;1&#x27e9;&#x7c;1/2, &#xb1;1/2&#x27e9;</td>
<td align="center">&#xb1;7/45</td>
<td align="center">&#xb1;0.105</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">&#x7c;0, 2, 3/2, &#xb1;1/2&#x27e9;</td>
<td align="center">&#xb1;0.014</td>
<td align="center">&#x7c;2, 0&#x27e9;&#x7c;1/2, &#xb1;1/2&#x27e9;</td>
<td align="center">0</td>
<td align="center">0</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">&#x7c;0, 3, 7/2, &#xb1;7/2&#x27e9;</td>
<td align="center">&#x2213; 0.113</td>
<td align="center">&#x7c;3, &#xb1;3&#x27e9;&#x7c;1/2, &#xb1;1/2&#x27e9;</td>
<td align="center">&#x2213; 1/6</td>
<td align="center">&#x2213; 0.113</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">&#x7c;0, 3, 7/2, &#xb1;5/2&#x27e9;</td>
<td align="center">&#x2213; 0.079</td>
<td align="center">&#x7c;3, &#xb1;2&#x27e9;&#x7c;1/2, &#xb1;1/2&#x27e9;</td>
<td align="center">&#x2213; 1/9</td>
<td align="center">&#x2213; 0.075</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">&#x7c;0, 3, 7/2, &#xb1;3/2&#x27e9;</td>
<td align="center">&#x2213; 0.042</td>
<td align="center">&#x7c;3, &#xb1;1&#x27e9;&#x7c;1/2, &#xb1;1/2&#x27e9;</td>
<td align="center">&#x2213; 1/18</td>
<td align="center">&#x2213; 0.038</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">&#x7c;0, 3, 7/2, &#xb1;1/2&#x27e9;</td>
<td align="center">&#x2213; 0.009</td>
<td align="center">&#x7c;3, 0&#x27e9;&#x7c;1/2, &#xb1;1/2&#x27e9;</td>
<td align="center">0</td>
<td align="center">0</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">&#x7c;0, 3, 5/2, &#xb1;5/2&#x27e9;</td>
<td align="center">&#x2213; 0.113</td>
<td align="center">&#x7c;3, &#xb1;3&#x27e9;&#x7c;1/2, &#x2213;1/2&#x27e9;</td>
<td align="center">&#x2213; 1/6</td>
<td align="center">&#x2213; 0.113</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">&#x7c;0, 3, 5/2, &#xb1;3/2&#x27e9;</td>
<td align="center">&#x2213; 0.076</td>
<td align="center">&#x7c;3, &#xb1;2&#x27e9;&#x7c;1/2, &#x2213;1/2&#x27e9;</td>
<td align="center">&#x2213; 1/9</td>
<td align="center">&#x2213; 0.075</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">&#x7c;0, 3, 5/2, &#xb1;1/2&#x27e9;</td>
<td align="center">&#x2213; 0.031</td>
<td align="center">&#x7c;3, &#xb1;1&#x27e9;&#x7c;1/2, &#x2213;1/2&#x27e9;</td>
<td align="center">&#x2213; 1/18</td>
<td align="center">&#x2213; 0.038</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>MQM energy shifts in the ground rotational state manifold of <sup>173</sup>YbF. The shifts are calculated at <inline-formula id="inf89">
<mml:math id="m121">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 18&#xa0;kV/cm and given in units of <italic>W</italic>
<sub>
<italic>M</italic>
</sub>
<italic>M</italic>. States labeled with <inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m53">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m54">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are adiabatically linked to field-free states with quantum numbers <italic>G</italic> and <italic>F</italic>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-11-1086980-g002.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3 Measurement scheme</title>
<p>An MQM measurement can be done in a similar way to measurements of the electron EDM or the nuclear Schiff moment [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B30">30</xref>]. Using the notation<xref ref-type="fn" rid="fn3">
<sup>2</sup>
</xref> &#x7c;<italic>F</italic>, <italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub>&#x27e9;, let us define states &#x7c;0&#x27e9; &#x3d; &#x7c;<italic>F</italic>, <italic>F</italic>&#x27e9; and <inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m55">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula>. Molecules are first prepared in &#x7c;0&#x27e9;, typically by optical pumping, and then transferred to &#x7c; &#x2b; &#x27e9;. This state evolves for time <italic>&#x3c4;</italic> in the presence of parallel electric and magnetic fields, becoming <inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m56">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula>. Here, <inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m57">
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>M</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>M</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, where &#x394;<italic>E</italic>
<sub>B</sub> is the (absolute) Zeeman shift of the states. Finally, the populations in &#x7c; &#x2b; &#x27e9; and &#x7c; &#x2212; &#x27e9; are read out, typically by transferring the population in &#x7c; &#x2b; &#x27e9; to one state (e.g., back to &#x7c;0&#x27e9;) and the population in &#x7c; &#x2212; &#x27e9; to a state of sufficiently different energy that the two are easily resolved (e.g., by laser-induced fluorescence detection).</p>
<p>A particular challenge in this measurement scheme, which does not typically arise in related experiments, is the preparation of a superposition of &#xb1;<italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub> states where <italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub> and &#x2212;<italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub> differ by several units. For example, consider the levels of <sup>173</sup>YbF shown in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref>. The states most sensitive to the MQM have <inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m58">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>. In that case, the measurement scheme calls for a superposition of a pair of states that differ in <italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub> by 5 units of angular momentum. Previously, optical pumping light modulated at a harmonic of the Larmor frequency has been used to prepare and study coherences within states of high angular momentum [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>]. In the following, we describe a general method to prepare the states we need.</p>
<sec id="s3-1">
<title>3.1 Optical pumping</title>
<p>We first describe how the molecules can be optically pumped into a single quantum state. This is done at zero electric field. We choose the state &#x7c;0&#x27e9; &#x3d; &#x7c;<italic>F</italic>, <italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub> &#x3d; <italic>F</italic>&#x27e9;, where <italic>F</italic> is the target angular momentum for the MQM measurement. A small magnetic field defines the <italic>z</italic>-axis. It should be small enough that Zeeman splittings are small compared to the linewidth of the relevant optical transitions, but large enough to ensure that <italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub> is preserved. Then, using circularly polarized light with <italic>k</italic>-vector along <italic>z</italic>, we drive an optical transition where the excited state angular momentum is <italic>F</italic>&#x2032; &#x3d; <italic>F</italic>. The light drives only <italic>&#x3c3;</italic>
<sup>&#x2b;</sup> transitions so the target state is a dark state and the population will be pumped into this state. There will be decay channels to other hyperfine and rotational states that are not resonant with the optical pumping light. Additional lasers need to be used to drive population out of these states. These extra lasers should have their polarizations modulated at a rate that is close to the Rabi frequency, to ensure that there are no other dark states in the system.</p>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref> shows an example of this procedure for <sup>173</sup>YbF molecules. Within the ground state X<sup>2</sup>&#x3a3;<sup>&#x2b;</sup>, each rotational manifold (labelled by <italic>N</italic>) is split into states <italic>G</italic> &#x3d; 2 and <italic>G</italic> &#x3d; 3 by the Yb hyperfine interaction. Each of these is then further split by spin-rotation and F hyperfine interactions. As an example, the inset shows the hyperfine structure of the <italic>N</italic> &#x3d; 2, <italic>G</italic> &#x3d; 3 manifold, spanning roughly 1&#xa0;GHz. The figure also shows the lowest rotational manifold of the electronically excited state, A<sup>2</sup>&#x3a0;<sub>1/2</sub> (<italic>J</italic>&#x2032; &#x3d; 1/2). This is split into states of opposite parity by the &#x39b;-doubling interaction, then by the Yb hyperfine interaction yielding states labelled by <inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m59">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>, and finally by the fluorine hyperfine interaction, into states of total angular momenta <italic>F</italic>&#x2032;. The latter splittings are smaller than the linewidth of the optical transition. The target state is &#x7c;<italic>N</italic> &#x3d; 0, <italic>G</italic> &#x3d; 2, <italic>F</italic> &#x3d; 5/2, <italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub> &#x3d; 5/2&#x27e9;. To optically pump molecules into this state, <italic>&#x3c3;</italic>
<sup>&#x2b;</sup> transitions are driven from the <italic>N</italic> &#x3d; 0, <italic>G</italic> &#x3d; 2 levels of X to the <italic>F</italic>&#x2032; &#x3d; 3/2, 5/2 levels of A. This state can decay to the <italic>G</italic> &#x3d; 3 manifold of <italic>N</italic> &#x3d; 0 and also to rotational state <italic>N</italic> &#x3d; 2. Molecules decaying to those states are excited by additional polarization-modulated lasers in such a way that the target state is the only dark state. In addition, population in <italic>N</italic> &#x3d; 1 can also be transferred to the target state by driving microwave transitions to <italic>N</italic> &#x3d; 2 as shown. In this way, population distributed across many initial states is all driven to the target state. The efficiency of this process is limited by leaks to higher-lying vibrational states (not shown in the figure). We note that the number of spontaneous emission events needed to reach the stretched state can be substantially reduced by using a combination of coherent and incoherent processes, and that such schemes could improve the optical pumping efficiency in the case of substantial leaks to other states [<xref ref-type="bibr" rid="B32">32</xref>].</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>Optical pumping scheme for <sup>173</sup>YbF molecules. Thick green arrows denote transitions driven using polarization-modulated light. The thin green arrow denotes light that drives only <italic>&#x3c3;</italic>
<sup>&#x2b;</sup> transitions from the <italic>G</italic> &#x3d; 2 manifold of <italic>N</italic> &#x3d; 0. The target state, &#x7c;<italic>N</italic> &#x3d; 0, <italic>G</italic> &#x3d; 2, <italic>F</italic> &#x3d; 5/2, <italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub> &#x3d; 5/2&#x27e9;, is the only dark state. Microwave transitions (blue arrows) can also be driven in order to bring population from <italic>N</italic> &#x3d; 1 to the target state. The inset shows the hyperfine structure within <italic>N</italic> &#x3d; 2, <italic>G</italic> &#x3d; 3.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-11-1086980-g003.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s3-2">
<title>3.2 State preparation and readout</title>
<p>Next, we show how to drive effective Rabi oscillations between the initial state &#x7c;<italic>F</italic>,&#x2009;<italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>&#x2009;</sub>&#x3d;&#x2009;<italic>F</italic>&#x27e9; and the superposition state <inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m60">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula>. We start by considering the <italic>F</italic> &#x3d; 1 system illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref>. An electric field is applied along <italic>z</italic> so that there is a Stark shift &#x394; between the <italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub> &#x3d; 0 and &#x7c;<italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub>&#x7c; &#x3d; 1 states. We also allow a small splitting <italic>&#x3b4;</italic> between the <italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub> &#x3d; &#xb1;1 states due to a small magnetic field along <italic>z</italic>. There is a time-independent coupling, &#x3a9;, between the <italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub> &#x3d; 0 and <italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub> &#x3d; &#xb1;1 states. For example, this could be a magnetic field along the <italic>x</italic>-axis, <italic>B</italic>
<sub>
<italic>x</italic>
</sub>, which yields <inline-formula id="inf55">
<mml:math id="m61">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:math>
</inline-formula>, where <italic>&#x3bc;</italic> is the magnetic moment.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>An <italic>F</italic> &#x3d; 1 system with tensor Stark splitting &#x394; and couplings &#x3a9; between the <italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub> &#x3d; 0 sublevel and <italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub> &#x3d; &#xb1;1 sublevels. The <italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub> &#x3d; &#xb1;1 states have a splitting <italic>&#x3b4;</italic> between them.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-11-1086980-g004.tif"/>
</fig>
<p>The Hamiltonian describing this system, in the basis {<italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub> &#x3d; &#x2212;1, <italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub> &#x3d; 0, <italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub> &#x3d; 1}, is<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m62">
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>This is the same Hamiltonian as for a two-photon Raman transition after transforming to the rotating frame. In that situation, &#x3a9; is the Rabi frequency, &#x394; is the one-photon detuning and <italic>&#x3b4;</italic> is the two-photon or Raman detuning. Motivated by this, we consider the situation where &#x394;&#x2009;&#x226B;&#x3a9;, <italic>&#x3b4;</italic> and the initial state is one of the <italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub> &#x3d; &#xb1;1 states. Then, adiabatic elimination of the <italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub> &#x3d; 0 state reduces the dynamics to that of an effective two-level system:<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m63">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>This system undergoes Rabi oscillations between the <italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub> &#x3d; &#xb1;1 states at the effective generalised Rabi frequency, <inline-formula id="inf56">
<mml:math id="m64">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:math>
</inline-formula>, where the effective Rabi frequency is &#x3a9;<sub>eff</sub> &#x3d; 2&#x3a9;<sup>2</sup>/&#x394;. This effective coupling is mediated by the coupling of <italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub> &#x3d; &#xb1;1 to <italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub> &#x3d; 0.</p>
<p>This approach can be generalised to states of higher angular momentum. For example, consider the <italic>F</italic> &#x3d; 5/2 system illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>. Here we have two different tensor Stark splittings &#x394;<sub>1,2</sub>, and three couplings between adjacent levels &#x3a9;<sub>1,2,3</sub>. As before, these couplings can be generated by a magnetic field orthogonal to the electric field. For simplicity, we have made states of equal <italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub> degenerate. The Hamiltonian for this six-level system is<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m65">
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>We adiabatically eliminate all states except for &#x7c;<italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub> &#x3d; &#xb1;5/2&#x27e9; to derive the effective two-level Hamiltonian<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m66">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>The derivation is given in <xref ref-type="app" rid="app2">Appendix B</xref>. We have assumed that the shifts &#x394;<sub>1,2</sub> are much greater than the couplings &#x3a9;<sub>1,2,3</sub>. The effective Rabi frequency is<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m67">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>
</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>An <italic>F</italic> &#x3d; 5/2 system with tensor Stark splittings &#x394;<sub>1</sub> and &#x394;<sub>2</sub>, and couplings &#x3a9;<sub>1</sub>, &#x3a9;<sub>2</sub>, &#x3a9;<sub>3</sub> between states of adjacent <italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-11-1086980-g005.tif"/>
</fig>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6A</xref> compares the numerical solution of the Schr&#xf6;dinger equation using Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">9</xref> to the effective two-level dynamics described by Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">10</xref>. We see excellent agreement between the effective model and the complete solution. We also find that two-level Rabi flopping dynamics are obtained whenever &#x394;<sub>1</sub>&#x2009;&#x226B;&#x3a9;<sub>1</sub>, without needing to constrain &#x394;<sub>2</sub>, &#x3a9;<sub>2</sub>, &#x3a9;<sub>3</sub>. The first condition ensures that the amplitudes of all intermediate states remain small, even when &#x3a9;<sub>2</sub> and &#x3a9;<sub>3</sub> are large. This greatly increases the effective Rabi frequency, producing a rapid coupling between the stretched states even though this is a high-order process mediated through many intermediate states. Note that in this case the effective Rabi frequency is no longer given by Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">11</xref>. <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6B</xref> compares the numerical solution to the two-level model in the case where the coupling between the states is similar to &#x394;<sub>2</sub>. The numerical solution shows almost perfect Rabi oscillations between the stretched states, with negligible population in any of the other states. The Rabi frequency is larger than given by Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">11</xref>.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>FIGURE 6</label>
<caption>
<p>Dynamics of the six-level system shown in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>. Populations of the states <italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub> &#x3d; 5/2 (blue) and <italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub> &#x3d; &#x2212;5/2 (orange). Solid lines: solutions of the Schr&#xf6;dinger equation for the Hamiltonian given in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">9</xref>. Dashed lines: effective two-level model, Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">10</xref>. Parameters are: <bold>(A)</bold> &#x3a9;<sub>1</sub> &#x3d; &#x3a9;<sub>2</sub> &#x3d; &#x3a9;<sub>3</sub> &#x3d; 2<italic>&#x3c0;</italic> &#xd7; 6&#xa0;MHz, &#x394;<sub>1</sub> &#x3d; &#x394;<sub>2</sub> &#x3d; 2<italic>&#x3c0;</italic> &#xd7; 100&#xa0;MHz. <bold>(B)</bold> Same as <bold>(A)</bold> except &#x394;<sub>2</sub> &#x3d; 2<italic>&#x3c0;</italic> &#xd7; 10&#xa0;MHz.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-11-1086980-g006.tif"/>
</fig>
<p>Let us consider again the specific example of the <italic>G</italic> &#x3d; 2 manifold of <sup>173</sup>YbF. The upper half of <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref> shows the level structure of this manifold of 10 states in an electric field <inline-formula id="inf91">
<mml:math id="m122">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 18&#xa0;kV/cm. We start with all population in the state &#x7c;<italic>F</italic>, <italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub>&#x27e9; &#x3d; &#x7c;5/2, 5/2&#x27e9;. We apply a magnetic field along <italic>x</italic>, <italic>B</italic>
<sub>
<italic>x</italic>
</sub>, such that &#x3a9;<sub>
<italic>ij</italic>
</sub> &#x3d; &#x2212;<italic>&#x3bc;</italic>
<sub>
<italic>ij</italic>
</sub>
<italic>B</italic>
<sub>
<italic>x</italic>
</sub> where <italic>&#x3bc;</italic>
<sub>
<italic>ij</italic>
</sub> is the magnetic dipole transition moment between states <italic>i</italic> and <italic>j</italic>. We ramp the field on for <italic>t</italic>
<sub>ramp</sub> &#x3d; 20&#xa0;&#xb5;s, keep the field at its maximum value for <italic>t</italic>
<sub>on</sub> &#x3d; 60 <italic>&#x3bc;</italic>s and then ramp the field down for <italic>t</italic>
<sub>ramp</sub>. The total time for the state evolution is therefore 100&#xa0;&#xb5;s. <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref> shows our numerical simulations for <italic>B</italic>
<sub>
<italic>x</italic>
</sub> &#x3d; 5.9 mT, which is the value needed to apply an effective <italic>&#x3c0;</italic>/2 pulse. We find that when the initial state is &#x7c;5/2, 5/2&#x27e9; the final state is &#x7c; &#x2b; &#x27e9; as desired. The reverse process also works well, as is needed for the state readout. When the initial state is &#x7c; &#x2b; &#x27e9; the final state is &#x7c;5/2, &#x2212;5/2&#x27e9;, and when the initial state is &#x7c; &#x2212; &#x27e9; the final state is &#x7c;5/2, 5/2&#x27e9;. Thus, despite the complexity of this system, a magnetic field pulse is sufficient to prepare the initial superposition state and to read out the final state.</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>FIGURE 7</label>
<caption>
<p>Dynamics within the <italic>G</italic> &#x3d; 2 manifold of <sup>173</sup>YbF induced by a pulse of magnetic field orthogonal to the electric field, calculated by numerical solution of the Schr&#xf6;dinger equation for all 10 levels shown in the upper half of <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref>. Populations of the states <italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub> &#x3d; 5/2 (blue) and <italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub> &#x3d; &#x2212;5/2 (orange) as <italic>B</italic>
<sub>
<italic>x</italic>
</sub> is ramped on and off for a total time of 100&#xa0;&#xb5;s. The maximum value of the field is 5.9&#xa0;mT and its amplitude relative to this maximum is shown by the dashed red line. <bold>(A)</bold> Initial state is &#x7c;5/2, 5/2&#x27e9;; final state is &#x7c; &#x2b; &#x27e9;. <bold>(B)</bold> Initial state is &#x7c; &#x2b; &#x27e9;; final state is &#x7c;5/2, &#x2212;5/2&#x27e9;. <bold>(C)</bold> Initial state is &#x7c; &#x2212; &#x27e9;; final state is &#x7c;5/2, 5/2&#x27e9;.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-11-1086980-g007.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4 Sensitivity to CP-violating parameters</title>
<p>Finally, we consider the sensitivity of a molecular MQM experiment to hadronic CP-violating parameters, and compare related experiments. Again, we use <sup>173</sup>YbF as a prototypical example. The parameters of the experiment are the coherence time <italic>&#x3c4;</italic> and the number of molecules measured <italic>N</italic>. At the shot-noise limit, the statistical uncertainty of an ideal frequency measurement will be <inline-formula id="inf57">
<mml:math id="m68">
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Recent experimental work and case studies [<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B33">33</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B35">35</xref>] suggest that measurements using the molecules considered here can reach a sensitivity of approximately 1&#xa0;mHz/<inline-formula id="inf58">
<mml:math id="m69">
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:math>
</inline-formula>. This could be achieved using a high flux focussed molecular beam from a cryogenic source, giving <italic>N</italic> &#x2248; 3 &#xd7; 10<sup>8</sup> molecules per second and <italic>&#x3c4;</italic> &#x2248; 10&#xa0;ms, or an ultracold molecular beam giving <italic>N</italic> &#x2248; 3 &#xd7; 10<sup>6</sup> molecules per second and <italic>&#x3c4;</italic> &#x2248; 100&#xa0;ms, or ultracold molecules in an optical lattice giving <italic>N</italic> &#x2248; 3 &#xd7; 10<sup>4</sup> molecules per second and <italic>&#x3c4;</italic> &#x2248; 1&#xa0;s. In this case, the uncertainty reaches <italic>&#x3b4;f</italic> &#x3d; 1&#xa0;<italic>&#x3bc;</italic>Hz in about 300&#xa0;h of measurement time.</p>
<p>If we assume that the CP-violating energy splitting in <sup>173</sup>YbF is due only to the MQM of the Yb nucleus, 2&#x394;<sub>CP</sub> &#x3d; 0.42<italic>W</italic>
<sub>
<italic>M</italic>
</sub>
<italic>M</italic>, then the uncertainty is equivalent to a 2<italic>&#x3c3;</italic>-sensitivity on the MQM of 4.5 &#xd7; 10<sup>&#x2212;13</sup>&#x2009;e&#x2009;fm<sup>2</sup>. From this, we can calculate the expected level to which we can measure various CP-violating parameters, using the parameter sensitivities compiled in <xref ref-type="table" rid="T3">Table 3</xref>. We compare these to the experimental constraints set by the Schiff moment measurement of <sup>199</sup>Hg [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>] and the projected sensitivities of the proposed Schiff moment measurement of <sup>205</sup>Tl from a TlF beam experiment [<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>]. The former is <italic>S</italic> (<sup>199</sup>
<inline-formula id="inf59">
<mml:math id="m70">
<mml:mfenced open="" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula>3.1 &#xd7; 10<sup>&#x2212;13</sup>&#x2009;e&#x2009;fm<sup>3</sup>, and the latter has an anticipated statistical sensitivity of <italic>&#x3b4;f</italic> &#x3d; 45&#xa0;nHz which corresponds to<xref ref-type="fn" rid="fn4">
<sup>3</sup>
</xref> <italic>&#x3b4;S</italic> (<sup>205</sup>
<inline-formula id="inf60">
<mml:math id="m71">
<mml:mfenced open="" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 9.1 &#xd7; 10<sup>&#x2212;14</sup>&#x2009;e&#x2009;fm<sup>3</sup>.</p>
<table-wrap id="T3" position="float">
<label>TABLE 3</label>
<caption>
<p>The dependence of the Schiff moments of <sup>199</sup>Hg and <sup>205</sup>Tl [<xref ref-type="bibr" rid="B36">36</xref>], nucleon MQMs and the MQM of <sup>173</sup>Yb [<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>] on CP-violating parameters. The dependence of <italic>M</italic>(<sup>173</sup>Yb) is calculated from the enhancement of nucleon MQMs as given in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>. Throughout, we take the strong <italic>&#x3c0;</italic>-meson nucleon-nucleon interaction constant to be <italic>g</italic> &#x3d; 13.6 [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>].</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="center">CP-violating parameter (<italic>x</italic>)</th>
<th align="center">
<italic>&#x2202;S</italic> (<sup>199</sup>
<inline-formula id="inf61">
<mml:math id="m72">
<mml:mfenced open="" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<italic>&#x2202;S</italic> (<sup>205</sup>
<inline-formula id="inf62">
<mml:math id="m73">
<mml:mfenced open="" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf63">
<mml:math id="m74">
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf64">
<mml:math id="m75">
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<italic>&#x2202;M</italic>(<sup>173</sup>
<inline-formula id="inf65">
<mml:math id="m76">
<mml:mfenced open="" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Y</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="center">Isoscalar <italic>&#x3c0;NN</italic> coupling <inline-formula id="inf66">
<mml:math id="m77">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">0.32&#xa0;e&#x2009;fm<sup>3</sup>
</td>
<td align="center">1.77&#xa0;e&#x2009;fm<sup>3</sup>
</td>
<td align="center">&#x2212;0.08&#xa0;e&#x2009;fm<sup>2</sup>
</td>
<td align="center">&#x2212;0.09&#xa0;e&#x2009;fm<sup>2</sup>
</td>
<td align="center">&#x2212;3.4&#xa0;e&#x2009;fm<sup>2</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Isovector <italic>&#x3c0;NN</italic> coupling <inline-formula id="inf67">
<mml:math id="m78">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">&#x2212;0.10&#xa0;e&#x2009;fm<sup>3</sup>
</td>
<td align="center">&#x2212;0.05&#xa0;e&#x2009;fm<sup>3</sup>
</td>
<td align="center">0.41&#xa0;e&#x2009;fm<sup>2</sup>
</td>
<td align="center">0.44&#xa0;e&#x2009;fm<sup>2</sup>
</td>
<td align="center">17&#xa0;e&#x2009;fm<sup>2</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Isotensor <italic>&#x3c0;NN</italic> coupling <inline-formula id="inf68">
<mml:math id="m79">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">0.39&#xa0;e&#x2009;fm<sup>3</sup>
</td>
<td align="center">&#x2212;3.67&#xa0;e&#x2009;fm<sup>3</sup>
</td>
<td align="center">0.16&#xa0;e&#x2009;fm<sup>2</sup>
</td>
<td align="center">0.18&#xa0;e&#x2009;fm<sup>2</sup>
</td>
<td align="center">6.88&#xa0;e&#x2009;fm<sup>2</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">QCD <italic>&#x3b8;</italic>-term <inline-formula id="inf69">
<mml:math id="m80">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">0.005&#xa0;e&#x2009;fm<sup>3</sup>
</td>
<td align="center">0.027&#xa0;e&#x2009;fm<sup>3</sup>
</td>
<td align="center">0.002&#xa0;e&#x2009;fm<sup>2</sup>
</td>
<td align="center">0.003&#xa0;e&#x2009;fm<sup>2</sup>
</td>
<td align="center">0.09&#xa0;e&#x2009;fm<sup>2</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Proton EDM (<italic>d</italic>
<sub>
<italic>p</italic>
</sub> (e&#x2009;fm))</td>
<td align="center">0.06&#xa0;fm<sup>2</sup>
</td>
<td align="center">0.4&#xa0;fm<sup>2</sup>
</td>
<td align="center">0.25&#xa0;fm</td>
<td align="center">0</td>
<td align="center">3.5&#xa0;fm</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Neutron EDM (<italic>d</italic>
<sub>
<italic>n</italic>
</sub> (e&#x2009;fm))</td>
<td align="center">0.6&#xa0;fm<sup>2</sup>
</td>
<td align="center">0</td>
<td align="center">0</td>
<td align="center">0.25&#xa0;fm</td>
<td align="center">6.4&#xa0;fm</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">
<italic>u</italic>-quark chromo-EDM (<inline-formula id="inf70">
<mml:math id="m81">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> (fm))</td>
<td align="center">0</td>
<td align="center">9&#xa0;e&#x2009;fm<sup>2</sup>
</td>
<td align="center">12&#xa0;e&#x2009;fm</td>
<td align="center">13&#xa0;e&#x2009;fm</td>
<td align="center">506&#xa0;e&#x2009;fm</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">
<italic>d</italic>-quark chromo-EDM (<inline-formula id="inf71">
<mml:math id="m82">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> (fm))</td>
<td align="center">5&#xa0;e&#x2009;fm<sup>2</sup>
</td>
<td align="center">12&#xa0;e&#x2009;fm<sup>2</sup>
</td>
<td align="center">&#x2212;12&#xa0;e&#x2009;fm</td>
<td align="center">&#x2212;13&#xa0;e&#x2009;fm</td>
<td align="center">&#x2212;506&#xa0;e&#x2009;fm</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>
<xref ref-type="table" rid="T4">Table 4</xref> shows the 95% confidence limit constraints on CP-violating parameters set by the <sup>199</sup>Hg experiment, as well as projected 2<italic>&#x3c3;</italic>-sensitivities for experiments using TlF and YbF, given the uncertainties quoted above. We find that a measurement of the MQM of <sup>173</sup>Yb using YbF molecules can make large improvements relative to the current limits on CP-violating parameters obtained from the Hg experiment. The measurement also gives greater sensitivities than obtainable from the proposed TlF experiment, even though the projected frequency uncertainty of the TlF experiment is 20 times smaller.</p>
<table-wrap id="T4" position="float">
<label>TABLE 4</label>
<caption>
<p>Constraints (95% CL) on CP-violating parameters set experimentally by <sup>199</sup>Hg [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>], and projected 2<italic>&#x3c3;</italic>-sensitivities from proposals to measure these in <sup>205</sup>TlF [<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>] and <sup>173</sup>YbF (this paper). For <sup>199</sup>Hg, the constraints given here differ from those given in [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>] because we use the coefficients from [<xref ref-type="bibr" rid="B36">36</xref>].</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="center">CP-violating parameter (<italic>x</italic>)</th>
<th align="center">
<sup>199</sup>Hg</th>
<th align="center">
<sup>205</sup>TlF</th>
<th align="center">
<sup>173</sup>YbF</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="center">Schiff moment (<italic>S</italic>)</td>
<td align="center">3.1 &#xd7; 10<sup>&#x2212;13</sup>&#x2009;e&#x2009;fm<sup>3</sup>
</td>
<td align="center">9.1 &#xd7; 10<sup>&#x2212;14</sup>&#x2009;e&#x2009;fm<sup>3</sup>
</td>
<td align="center">&#x2014;</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Magnetic quadrupole moment (<italic>M</italic>)</td>
<td align="center">&#x2014;</td>
<td align="center">&#x2014;</td>
<td align="center">4.5 &#xd7; 10<sup>&#x2212;13</sup>&#x2009;e&#x2009;fm<sup>2</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Isoscalar <italic>&#x3c0;NN</italic> coupling <inline-formula id="inf72">
<mml:math id="m83">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">1.0 &#xd7; 10<sup>&#x2212;12</sup>
</td>
<td align="center">5.1 &#xd7; 10<sup>&#x2212;14</sup>
</td>
<td align="center">1.3 &#xd7; 10<sup>&#x2212;13</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Isovector <italic>&#x3c0;NN</italic> coupling <inline-formula id="inf73">
<mml:math id="m84">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">3.3 &#xd7; 10<sup>&#x2212;12</sup>
</td>
<td align="center">1.7 &#xd7; 10<sup>&#x2212;12</sup>
</td>
<td align="center">2.6 &#xd7; 10<sup>&#x2212;14</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Isotensor <italic>&#x3c0;NN</italic> coupling <inline-formula id="inf74">
<mml:math id="m85">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">8.1 &#xd7; 10<sup>&#x2212;13</sup>
</td>
<td align="center">2.4 &#xd7; 10<sup>&#x2212;14</sup>
</td>
<td align="center">6.5 &#xd7; 10<sup>&#x2212;14</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">QCD <italic>&#x3b8;</italic>-term <inline-formula id="inf75">
<mml:math id="m86">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">6.2 &#xd7; 10<sup>&#x2212;11</sup>
</td>
<td align="center">3.3 &#xd7; 10<sup>&#x2212;12</sup>
</td>
<td align="center">5.0 &#xd7; 10<sup>&#x2212;12</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Proton EDM (<italic>d</italic>
<sub>
<italic>p</italic>
</sub>)</td>
<td align="center">5.1 &#xd7; 10<sup>&#x2212;25</sup>&#x2009;e&#x2009;cm</td>
<td align="center">2.3 &#xd7; 10<sup>&#x2212;26</sup>&#x2009;e&#x2009;cm</td>
<td align="center">1.3 &#xd7; 10<sup>&#x2212;26</sup>&#x2009;e&#x2009;cm</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Neutron EDM (<italic>d</italic>
<sub>
<italic>n</italic>
</sub>)</td>
<td align="center">5.1 &#xd7; 10<sup>&#x2212;26</sup>&#x2009;e&#x2009;cm</td>
<td align="center">&#x2013;</td>
<td align="center">7.0 &#xd7; 10<sup>&#x2212;27</sup>&#x2009;e&#x2009;cm</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">
<italic>u</italic>-quark chromo-EDM <inline-formula id="inf76">
<mml:math id="m87">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">&#x2014;</td>
<td align="center">1.0 &#xd7; 10<sup>&#x2212;27</sup>&#xa0;cm</td>
<td align="center">8.9 &#xd7; 10<sup>&#x2212;29</sup>&#xa0;cm</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">
<italic>d</italic>-quark chromo-EDM <inline-formula id="inf77">
<mml:math id="m88">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">6.2 &#xd7; 10<sup>&#x2212;27</sup>&#xa0;cm</td>
<td align="center">7.5 &#xd7; 10<sup>&#x2212;28</sup>&#xa0;cm</td>
<td align="center">8.9 &#xd7; 10<sup>&#x2212;29</sup>&#xa0;cm</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
</sec>
<sec sec-type="conclusion" id="s5">
<title>5 Conclusion</title>
<p>Measurements of nuclear MQMs in isotopologues of heavy, paramagnetic molecules have the potential to probe hadronic CP-violating physics at a level well beyond current limits. We have calculated the molecular energy shifts to be expected, showing which states should be used. We find that measurements will require molecules prepared in a superposition of magnetic sub-levels that differ by many units of angular momentum, and we have described a general method for preparing these states. These experiments would benefit from the recent advances in laser cooling applied to molecules [<xref ref-type="bibr" rid="B38">38</xref>]. The nuclear spin of the heavy atom in the molecule leads to large hyperfine intervals and a more complex hyperfine structure which makes the laser cooling more difficult than for the isotopologues cooled so far. Nevertheless, a recent study [<xref ref-type="bibr" rid="B39">39</xref>] shows how cooling of the required molecules can be done with relatively small additions to existing experiments.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec sec-type="data-availability" id="s6">
<title>Data availability statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/supplementary material, further inquiries can be directed to the corresponding author.</p>
</sec>
<sec id="s7">
<title>Author contributions</title>
<p>CH performed the calculations and analyses and prepared the first draft of the manuscript. JL contributed to the concepts and ideas presented. BS conceived the study, contributed to the concepts and supervised the work. MT contributed to the state preparation method, checked the calculations, revised the manuscript and supervised the work. All authors discussed the work regularly, contributed to manuscript revision, read and approved the submitted version.</p>
</sec>
<sec id="s8">
<title>Funding</title>
<p>This work was supported by funding in part from the Science and Technology Facilities Council (grants ST/S000011/1 and ST/V00428X/1); the Sloan Foundation (grant G-2019-12505); and the Gordon and Betty Moore Foundation (grant 8864). The opinions expressed in this publication are those of the author(s) and do not necessarily reflect the views of these funding bodies.</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s9">
<title>Conflict of interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s10">
<title>Publisher&#x2019;s note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<fn-group>
<fn id="fn2">
<label>1</label>
<p>The light atom in the molecule often has nuclear spin but its contribution to any P,T-violating signal scales approximately as <italic>Z</italic>
<sup>2</sup>, where <italic>Z</italic> is the atomic number [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>], so is much smaller than that of the heavy atom. For example, in YbF, the contribution from the F atom is about 60 times smaller than that of Yb.</p>
</fn>
<fn id="fn3">
<label>2</label>
<p>Here, for notational convenience, we have dropped the tildes and the other quantum numbers.</p>
</fn>
<fn id="fn4">
<label>3</label>
<p>This calculation comes from &#x394;<sub>CP</sub> &#x3d; <italic>&#x3b7;W</italic>
<sub>
<italic>S</italic>
</sub>
<italic>S</italic>, where the polarisation factor <italic>&#x3b7;</italic> &#x3d; 0.547 and <italic>W</italic>
<sub>
<italic>S</italic>
</sub> &#x3d; 40&#x2009;539&#x2009;au &#x3d; 1.8 &#xd7; 10<sup>6</sup>&#xa0;Hz/(e&#x2009;fm<sup>3</sup>) [<xref ref-type="bibr" rid="B37">37</xref>].</p>
</fn>
</fn-group>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<label>1.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Dolgov</surname>
<given-names>AD</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zeldovich</surname>
<given-names>YB</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Cosmology and elementary particles</article-title>. <source>Rev Mod Phys</source> (<year>1981</year>) <volume>53</volume>:<fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>41</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/revmodphys.53.1</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kolb</surname>
<given-names>EW</given-names>
</name>
<name>
<surname>Turner</surname>
<given-names>MS</given-names>
</name>
</person-group>. <source>The early Universe</source>. <publisher-loc>Boston</publisher-loc>: <publisher-name>Addison-Wesley</publisher-name> (<year>1990</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sakharov</surname>
<given-names>AD</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Violation of CP invariance, C asymmetry, and baryon asymmetry of the universe</article-title>. <source>Sov Phys Usp</source> (<year>1991</year>) <volume>34</volume>:<fpage>392</fpage>&#x2013;<lpage>3</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1070/pu1991v034n05abeh002497</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Canetti</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Drewes</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shaposhnikov</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Matter and antimatter in the universe</article-title>. <source>New J Phys</source> (<year>2012</year>) <volume>14</volume>:<fpage>095012</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1367-2630/14/9/095012</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>B&#xf6;deker</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Buchm&#xfc;ller</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Baryogenesis from the weak scale to the grand unification scale</article-title>. <source>Rev Mod Phys</source> (<year>2021</year>) <volume>93</volume>:<fpage>035004</fpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>L&#xfc;ders</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Proof of the TCP theorem</article-title>. <source>Ann Phys</source> (<year>1957</year>) <volume>2</volume>:<fpage>1</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0003-4916(57)90032-5</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Purcell</surname>
<given-names>EM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ramsey</surname>
<given-names>NF</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>On the possibility of electric dipole moments for elementary particles and nuclei</article-title>. <source>Phys Rev</source> (<year>1950</year>) <volume>78</volume>:<fpage>807</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrev.78.807</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Landau</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>On the conservation laws for weak interactions</article-title>. <source>Nucl Phys</source> (<year>1957</year>) <volume>3</volume>:<fpage>127</fpage>&#x2013;<lpage>31</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0029-5582(57)90061-5</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hudson</surname>
<given-names>JJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kara</surname>
<given-names>DM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Smallman</surname>
<given-names>IJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sauer</surname>
<given-names>BE</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tarbutt</surname>
<given-names>MR</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hinds</surname>
<given-names>EA</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Improved measurement of the shape of the electron</article-title>. <source>Nature</source> (<year>2011</year>) <volume>473</volume>:<fpage>493</fpage>&#x2013;<lpage>6</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nature10104</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Andreev</surname>
<given-names>V</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ang</surname>
<given-names>DG</given-names>
</name>
<name>
<surname>DeMille</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Doyle</surname>
<given-names>JM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gabrielse</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Haefner</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Improved limit on the electric dipole moment of the electron</article-title>. <source>Nature</source> (<year>2018</year>) <volume>562</volume>:<fpage>355</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41586-018-0599-8</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cairncross</surname>
<given-names>WB</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gresh</surname>
<given-names>DN</given-names>
</name>
<name>
<surname>Grau</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cossel</surname>
<given-names>KC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Roussy</surname>
<given-names>TS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ni</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Precision measurement of the electron&#x27;s electric dipole moment using trapped molecular ions</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2017</year>) <volume>119</volume>:<fpage>153001</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.119.153001</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hinds</surname>
<given-names>EA</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Testing time reversal symmetry using molecules</article-title>. <source>Phys Scr</source> (<year>1997</year>) <volume>T70</volume>:<fpage>34</fpage>&#x2013;<lpage>41</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0031-8949/1997/t70/005</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Schiff</surname>
<given-names>LI</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Measurability of nuclear electric dipole moments</article-title>. <source>Phys Rev</source> (<year>1963</year>) <volume>132</volume>:<fpage>2194</fpage>&#x2013;<lpage>200</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrev.132.2194</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Graner</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lindahl</surname>
<given-names>EG</given-names>
</name>
<name>
<surname>Heckel</surname>
<given-names>BR</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Reduced limit on the permanent electric dipole moment of Hg199</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2016</year>) <volume>116</volume>:<fpage>161601</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.116.161601</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B15">
<label>15.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Grasdijk</surname>
<given-names>O</given-names>
</name>
<name>
<surname>Timgren</surname>
<given-names>O</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kastelic</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wright</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lamoreaux</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>DeMille</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>CeNTREX: A new search for time-reversal symmetry violation in the <sup>205</sup>Tl nucleus</article-title>. <source>Quan Sci. Technol.</source> (<year>2021</year>) <volume>6</volume>:<fpage>044007</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/2058-9565/abdca3</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Khriplovich</surname>
<given-names>IB</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Zh Eksp Teor Fiz</source> (<year>1957</year>) <volume>71</volume>:<fpage>51</fpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sushkov</surname>
<given-names>OP</given-names>
</name>
<name>
<surname>Flambaum</surname>
<given-names>VV</given-names>
</name>
<name>
<surname>Khriplovich</surname>
<given-names>IB</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Zh Eksp Teor Fiz</source> (<year>1984</year>) <volume>87</volume>:<fpage>1521</fpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Flambaum</surname>
<given-names>VV</given-names>
</name>
<name>
<surname>DeMille</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kozlov</surname>
<given-names>MG</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Time-Reversal symmetry violation in molecules induced by nuclear magnetic quadrupole moments</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2014</year>) <volume>113</volume>:<fpage>103003</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.113.103003</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B19">
<label>19.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lackenby</surname>
<given-names>BGC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Flambaum</surname>
<given-names>VV</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Time reversal violating magnetic quadrupole moment in heavy deformed nuclei</article-title>. <source>Phys Rev D</source> (<year>2018</year>) <volume>98</volume>:<fpage>115019</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevd.98.115019</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B20">
<label>20.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>M&#xf6;ller</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sierk</surname>
<given-names>AJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ichikawa</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sagawa</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Nuclear ground-state masses and deformations: FRDM(2012)</article-title>. <source>At Data Nucl Data Tables</source> (<year>2016</year>) <volume>109-110</volume>:<fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>204</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.adt.2015.10.002</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B21">
<label>21.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Denis</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hao</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Eliav</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hutzler</surname>
<given-names>NR</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nayak</surname>
<given-names>MK</given-names>
</name>
<name>
<surname>Timmermans</surname>
<given-names>RGE</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Enhanced P,T-violating nuclear magnetic quadrupole moment effects in laser-coolable molecules</article-title>. <source>J Chem Phys</source> (<year>2020</year>) <volume>152</volume>:<fpage>084303</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.5141065</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B22">
<label>22.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Skripnikov</surname>
<given-names>LV</given-names>
</name>
<name>
<surname>Petrov</surname>
<given-names>AN</given-names>
</name>
<name>
<surname>Titov</surname>
<given-names>AV</given-names>
</name>
<name>
<surname>Flambaum</surname>
<given-names>VV</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>CP-violating effect of the Th nuclear magnetic quadrupole moment: Accurate many-body study of ThO</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2014</year>) <volume>113</volume>:<fpage>263006</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.113.263006</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B23">
<label>23.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Skripnikov</surname>
<given-names>LV</given-names>
</name>
<name>
<surname>Petrov</surname>
<given-names>AN</given-names>
</name>
<name>
<surname>Titov</surname>
<given-names>AV</given-names>
</name>
<name>
<surname>Flambaum</surname>
<given-names>VV</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Erratum:CP-Violating effect of the Th nuclear magnetic quadrupole moment: Accurate many-body study of ThO [phys. Rev. Lett.113, 263006 (2014)]</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2015</year>) <volume>115</volume>:<fpage>259901</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.115.259901</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B24">
<label>24.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Skripnikov</surname>
<given-names>LV</given-names>
</name>
<name>
<surname>Titov</surname>
<given-names>AV</given-names>
</name>
<name>
<surname>Flambaum</surname>
<given-names>VV</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Enhanced effect of <italic>CP</italic>-violating nuclear magnetic quadrupole moment in a HfF<sup>&#x2b;</sup> molecule</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2017</year>) <volume>95</volume>:<fpage>022512</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.95.022512</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B25">
<label>25.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Skripnikov</surname>
<given-names>LV</given-names>
</name>
<name>
<surname>Titov</surname>
<given-names>AV</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Theoretical study of ThF<sup>&#x2b;</sup> in the search for <italic>T</italic>, <italic>P</italic>-violation effects: Effective state of a Th atom in ThF<sup>&#x2b;</sup> and ThO compounds</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2015</year>) <volume>91</volume>:<fpage>042504</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevA.91.042504</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B26">
<label>26.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hutzler</surname>
<given-names>NR</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Polyatomic molecules as quantum sensors for fundamental physics</article-title>. <source>Quan Sci. Technol.</source> (<year>2020</year>) <volume>5</volume>:<fpage>044011</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/2058-9565/abb9c5</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B27">
<label>27.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Brown</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Carrington</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Rotational spectroscopy of diatomic molecules</source>. <publisher-loc>Cambridge</publisher-loc>: <publisher-name>Cambridge University Press</publisher-name> (<year>2003</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B28">
<label>28.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Steimle</surname>
<given-names>TC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ma</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Linton</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>The hyperfine interaction in the A&#x3a0;1&#x2215;22 and X&#x3a3;&#x2b;2 states of ytterbium monofluoride</article-title>. <source>J Chem Phys</source> (<year>2007</year>) <volume>127</volume>:<fpage>234316</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.2820788</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B29">
<label>29.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Le</surname>
<given-names>AT</given-names>
</name>
<name>
<surname>Steimle</surname>
<given-names>TC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Koskelo</surname>
<given-names>EAC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Aufderheide</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mawhorter</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Fine and hyperfine interaction in <sup>173</sup>YbF</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2019</year>) <volume>100</volume>:<fpage>022516</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.100.022516</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B30">
<label>30.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ho</surname>
<given-names>CJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Devlin</surname>
<given-names>JA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rabey</surname>
<given-names>IM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yzombard</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lim</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wright</surname>
<given-names>SC</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>New techniques for a measurement of the electron&#x27;s electric dipole moment</article-title>. <source>New J Phys</source> (<year>2020</year>) <volume>22</volume>:<fpage>043031</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1367-2630/ab83d2</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B31">
<label>31.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yashchuk</surname>
<given-names>VV</given-names>
</name>
<name>
<surname>Budker</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gawlik</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kimball</surname>
<given-names>DF</given-names>
</name>
<name>
<surname>Malakyan</surname>
<given-names>YP</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rochester</surname>
<given-names>SM</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Selective addressing of high-rank atomic polarization moments</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2003</year>) <volume>90</volume>:<fpage>253001</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.90.253001</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B32">
<label>32.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Rochester</surname>
<given-names>SM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Szymanski</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Raizen</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pustelny</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Auzinsh</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Budker</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Efficient polarization of high-angular-momentum systems</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2016</year>) <volume>94</volume>:<fpage>043416</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.94.043416</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B33">
<label>33.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Alauze</surname>
<given-names>X</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lim</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Trigatzis</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Swarbrick</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Collings</surname>
<given-names>FJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fitch</surname>
<given-names>NJ</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>An ultracold molecular beam for testing fundamental physics</article-title>. <source>Quan Sci. Technol.</source> (<year>2021</year>) <volume>6</volume>:<fpage>044005</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/2058-9565/ac107e</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B34">
<label>34.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Fitch</surname>
<given-names>NJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lim</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hinds</surname>
<given-names>EA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sauer</surname>
<given-names>BE</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tarbutt</surname>
<given-names>MR</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Methods for measuring the electron&#x27;s electric dipole moment using ultracold YbF molecules</article-title>. <source>Quan Sci. Technol.</source> (<year>2021</year>) <volume>6</volume>:<fpage>014006</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/2058-9565/abc931</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B35">
<label>35.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Augenbraun</surname>
<given-names>BL</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lasner</surname>
<given-names>ZD</given-names>
</name>
<name>
<surname>Frenett</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sawaoka</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Miller</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Steimle</surname>
<given-names>TC</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Laser-cooled polyatomic molecules for improved electron electric dipole moment searches</article-title>. <source>New J Phys</source> (<year>2020</year>) <volume>22</volume>:<fpage>022003</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1367-2630/ab687b</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B36">
<label>36.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Flambaum</surname>
<given-names>VV</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dzuba</surname>
<given-names>VA</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Electric dipole moments of atoms and molecules produced by enhanced nuclear Schiff moments</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2020</year>) <volume>101</volume>:<fpage>042504</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.101.042504</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B37">
<label>37.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Flambaum</surname>
<given-names>VV</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dzuba</surname>
<given-names>VA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tran Tan</surname>
<given-names>HB</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Time- and parity-violating effects of the nuclear Schiff moment in molecules and solids</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2020</year>) <volume>101</volume>:<fpage>042501</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.101.042501</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B38">
<label>38.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Fitch</surname>
<given-names>NJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tarbutt</surname>
<given-names>MR</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Laser-cooled molecules</article-title>. <source>Adv Mol Opt Phys</source> (<year>2021</year>) <volume>70</volume>:<fpage>157</fpage>&#x2013;<lpage>262</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/bs.aamop.2021.04.003</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B39">
<label>39.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kogel</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rockenh&#xe4;user</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Albrecht</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Langen</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>A laser cooling scheme for precision measurements using fermionic barium monofluoride (137Ba19F) molecules</article-title>. <source>New J Phys</source> (<year>2021</year>) <volume>23</volume>:<fpage>095003</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1367-2630/ac1df2</pub-id>
</citation>
</ref>
</ref-list>
<app-group>
<app id="app1">
<title>Appendix A: Further details on the evaluation of the MQM energy shift</title>
<p>In <xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref>, we considered the energy level shifts of a <sup>2</sup>&#x3a3; molecule due to the nuclear MQM interaction. Here, we provide more details of the calculation. As described in <xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref>, the Hamiltonian is<disp-formula id="eA1">
<mml:math id="m89">
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>rot</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>Stark</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>hyp</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>M</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(A1)</label>
</disp-formula>In the field-free basis, the matrix elements of <italic>H</italic>
<sub>rot</sub> are<disp-formula id="eA2">
<mml:math id="m90">
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>rot</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(A2)</label>
</disp-formula>We can write <inline-formula id="inf78">
<mml:math id="m91">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>Stark</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>mol</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>00</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> where <inline-formula id="inf79">
<mml:math id="m92">
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> is the rotation operator that transforms from the molecule frame to the laboratory frame. The matrix elements of <italic>H</italic>
<sub>Stark</sub> are<disp-formula id="eA3">
<mml:math id="m93">
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>Stark</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>mol</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(A3)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Neglecting the hyperfine interaction, the energy shift due to <italic>H</italic>
<sub>
<italic>M</italic>
</sub> is<disp-formula id="eA4">
<mml:math id="m94">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>M</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(A4)</label>
</disp-formula>This factorizes as<disp-formula id="eA5">
<mml:math id="m95">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>M</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>00</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>00</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>M</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(A5)</label>
</disp-formula>The first factor depends only on electron and nuclear spins and evaluates to<disp-formula id="eA6">
<mml:math id="m96">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>M</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>M</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(A6)</label>
</disp-formula>The second factor is <inline-formula id="inf80">
<mml:math id="m97">
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>00</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> and is known as the polarization factor. To evaluate <italic>&#x3b7;</italic>, we note that<disp-formula id="eA7">
<mml:math id="m98">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>Stark</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>Stark</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>mol</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>00</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>mol</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(A7)</label>
</disp-formula>and that<disp-formula id="eA8">
<mml:math id="m99">
<mml:mo>&#x232A;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>Stark</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x232A;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x232A;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x232A;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(A8)</label>
</disp-formula>Thus, we see that<disp-formula id="eA9">
<mml:math id="m100">
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>mol</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(A9)</label>
</disp-formula>which is straightforward to calculate once the eigenvalues <inline-formula id="inf81">
<mml:math id="m101">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> have been found.</p>
<p>When we include the hyperfine interaction and the spin of the second nucleus, we use the field-free basis &#x7c;<italic>N</italic>, <italic>G</italic>, <italic>F</italic>
<sub>1</sub>, <italic>F</italic>, <italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub>&#x27e9; as discussed in <xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref>. The matrix elements of <italic>H</italic>
<sub>hyp</sub> depend on the terms included in the hyperfine interaction and can all be found in [<xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>]. The eigenstates of <italic>H</italic>
<sub>rot</sub> &#x2b; <italic>H</italic>
<sub>Stark</sub> &#x2b; <italic>H</italic>
<sub>hyp</sub> are denoted <inline-formula id="inf82">
<mml:math id="m102">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> and the energy shift due to the MQM is<disp-formula id="eA10">
<mml:math id="m103">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>M</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(A10)</label>
</disp-formula>This can be evaluated with the help of the matrix element<disp-formula id="eA11">
<mml:math id="m104">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>M</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(A11)</label>
</disp-formula>
</p>
</app>
<app id="app2">
<title>Appendix B: Derivation of effective two-level Hamiltonian for <italic>F</italic> &#x3d; 5/2 system</title>
<p>The time-dependent Schr&#xf6;dinger equation for the Hamiltonian given in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">9</xref> can be written as (setting <italic>&#x210f;</italic> &#x3d; 1):<disp-formula id="equ1">
<mml:math id="m105">
<mml:mtable class="align-star" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
</disp-formula>where the amplitudes {<italic>a</italic>(<italic>t</italic>), <italic>b</italic>(<italic>t</italic>), <italic>c</italic>(<italic>t</italic>), <italic>d</italic>(<italic>t</italic>), <italic>e</italic>(<italic>t</italic>), <italic>f</italic>(<italic>t</italic>)} correspond to those of <italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub> &#x3d; &#x2212;5/2, &#x2212;3/2, &#x2212;1/2, 1/2, 3/2, 5/2 respectively. Consider the initial condition where <italic>f</italic> (0) &#x3d; 1 and all other amplitudes are zero at <italic>t</italic> &#x3d; 0, and the assumption that &#x394;<sub>1</sub>, &#x394;<sub>2</sub>&#x2009;&#x226B;&#x3a9;<sub>1</sub>, &#x3a9;<sub>2</sub>, &#x3a9;<sub>3</sub>. Then, we can approximate <inline-formula id="inf83">
<mml:math id="m106">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>, which gives us<disp-formula id="equ2">
<mml:math id="m107">
<mml:mtable class="align-star" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
</disp-formula>We now substitute the expression for <italic>e</italic>(<italic>t</italic>) into <italic>d</italic>(<italic>t</italic>) to get<disp-formula id="equ3">
<mml:math id="m108">
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>Since the tensor shifts are much greater than the direct couplings between <italic>M</italic>
<sub>
<italic>F</italic>
</sub> states, the LHS is approximately <italic>d</italic>(<italic>t</italic>). Next, we substitute this expression into the equation for <italic>c</italic>(<italic>t</italic>) above and repeat the process. Eventually, we substitute an expression for <italic>b</italic>(<italic>t</italic>) into the first differential equation involving <italic>a</italic>(<italic>t</italic>) to get<disp-formula id="equ4">
<mml:math id="m109">
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>Similarly, we find for <italic>f</italic>(<italic>t</italic>),<disp-formula id="equ5">
<mml:math id="m110">
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>which together give the effective two-level Hamiltonian in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">10</xref>.</p>
</app>
</app-group>
</back>
</article>