Precision measurement of lifetime and branching ratios of the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>4</mml:mn> <mml:msup> <mml:mi>f</mml:mi> <mml:mn>13</mml:mn> </mml:msup> <mml:mn>5</mml:mn> <mml:mi>d</mml:mi>

We report spectroscopic and time-resolved experimental observations to characterize the <a:math xmlns:a="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <a:mrow> <a:mrow> <a:mo>[</a:mo> <a:mi>Xe</a:mi> <a:mo>]</a:mo> </a:mrow> <a:mn>4</a:mn> <a:msup> <a:mi>f</a:mi> <a:mn>13</a:mn> </a:msup> <a:mrow> <a:mo>(</a:mo> <a:mmultiscripts> <a:mi>F</a:mi> <a:mrow> <a:mn>5</a:mn> <a:mo>/</a:mo> <a:mn>2</a:mn> </a:mrow> <a:mi>o</a:mi> <a:mprescripts/> <a:none/> <a:mn>2</a:mn> </a:mmultiscripts> <a:mo>)</a:mo> </a:mrow> <a:mn>5</a:mn> <a:mi>d</a:mi> <a:mn>6</a:mn> <a:mi>s</a:mi> <a:mrow> <a:mo>(</a:mo> <a:mmultiscripts> <a:mi>D</a:mi> <a:mprescripts/> <a:none/> <a:mn>1</a:mn> </a:mmultiscripts> <a:mo>)</a:mo> </a:mrow> <a:mrow> <a:msup> <a:mrow/> <a:mn>1</a:mn> </a:msup> <a:msubsup> <a:mrow> <a:mo>[</a:mo> <a:mn>5</a:mn> <a:mo>/</a:mo> <a:mn>2</a:mn> <a:mo>]</a:mo> </a:mrow> <a:mrow> <a:mn>5</a:mn> <a:mo>/</a:mo> <a:mn>2</a:mn> </a:mrow> <a:mi>o</a:mi> </a:msubsup> </a:mrow> </a:mrow> </a:math> state in <b:math xmlns:b="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <b:mmultiscripts> <b:mi>Yb</b:mi> <b:none/> <b:mo>+</b:mo> <b:mprescripts/> <b:none/> <b:mn>172</b:mn> </b:mmultiscripts> </b:math> ions. We access this state from the metastable <c:math xmlns:c="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <c:mrow> <c:mn>4</c:mn> <c:msup> <c:mi>f</c:mi> <c:mn>14</c:mn> </c:msup> <c:mn>5</c:mn> <c:mi>d</c:mi> <c:mrow> <c:mo>(</c:mo> <c:mmultiscripts> <c:mi>D</c:mi> <c:mrow> <c:mn>3</c:mn> <c:mo>/</c:mo> <c:mn>2</c:mn> <c:mo>,</c:mo> <c:mn>5</c:mn> <c:mo>/</c:mo> <c:mn>2</c:mn> </c:mrow> <c:none/> <c:mprescripts/> <c:none/> <c:mn>2</c:mn> </c:mmultiscripts> <c:mo>)</c:mo> </c:mrow> </c:mrow> </c:math> manifold and observe an unexpectedly long lifetime of <d:math xmlns:d="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <d:mrow> <d:mi>τ</d:mi> <d:mo>=</d:mo> <d:mn>37.9</d:mn> <d:mo>(</d:mo> <d:mn>9</d:mn> <d:mo>)</d:mo> <d:mspace width="0.16em"/> <d:mi>µ</d:mi> <d:mi mathvariant="normal">s</d:mi> </d:mrow> </d:math> that allows visible Rabi oscillations and resolved-sideband spectroscopy. Using a combination of coherent population dynamics, high-fidelity detection and heralded state preparation, and optical pumping methods, we measure the branching ratios to the <g:math xmlns:g="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <g:mmultiscripts> <g:mi>D</g:mi> <g:mrow> <g:mn>3</g:mn> <g:mo>/</g:mo> <g:mn>2</g:mn> </g:mrow> <g:none/> <g:mprescripts/> <g:none/> <g:mn>2</g:mn> </g:mmultiscripts> <g:mo>,</g:mo> <g:mo> </g:mo> <g:mmultiscripts> <g:mi>D</g:mi> <g:mrow> <g:mn>5</g:mn> <g:mo>/</g:mo> <g:mn>2</g:mn> </g:mrow> <g:none/> <g:mprescripts/> <g:none/> <g:mn>2</g:mn> </g:mmultiscripts> </g:math> , and <h:math xmlns:h="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <h:mmultiscripts> <h:mi>S</h:mi> <h:mrow> <h:mn>1</h:mn> <h:mo>/</h:mo> <h:mn>2</h:mn> </h:mrow> <h:none/> <h:mprescripts/> <h:none/> <h:mn>2</h:mn> </h:mmultiscripts> </h:math> states to be <i:math xmlns:i="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <i:mrow> <i:mn>0.359</i:mn> <i:mo>(</i:mo> <i:mn>2</i:mn> <i:mo>)</i:mo> </i:mrow> </i:math> , 0.639(2), and <j:math xmlns:j="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <j:mrow> <j:mn>0.0023</j:mn> <j:mo>(</j:mo> <j:mn>16</j:mn> <j:mo>)</j:mo> </j:mrow> </j:math> , respectively. The branching ratio to the <k:math xmlns:k="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <k:mrow> <k:mn>4</k:mn> <k:msup> <k:mi>f</k:mi> <k:mn>13</k:mn> </k:msup> <k:mn>6</k:mn> <k:msup> <k:mi>s</k:mi> <k:mn>2</k:mn> </k:msup> <k:mrow> <k:mo>(</k:mo> <k:msub> <k:mrow> <k:mmultiscripts> <k:mi>F</k:mi> <k:mprescripts/> <k:none/> <k:mrow> <k:mn>2</k:mn> </k:mrow> </k:mmultiscripts> </k:mrow> <k:mrow> <k:mn>7</k:mn> <k:mo>/</k:mo> <k:mn>2</k:mn> </k:mrow> </k:msub> <k:mo>)</k:mo> </k:mrow> </k:mrow> </k:math> is compatible with zero within our experimental resolution. We also report measurements of Landé <l:math xmlns:l="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <l:mi>g</l:mi> </l:math> -factor of the <m:math xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <m:mrow> <m:msup> <m:mrow/> <m:mn>1</m:mn> </m:msup> <m:msubsup> <m:mrow> <m:mo>[</m:mo> <m:mn>5</m:mn>