激光痕量探测与精密测量实验室

原子与分子的光谱是探索物质内部结构及相互作用的关键窗口。通过对原子和分子精密光谱的研究，我们能够以极高精度检验基础物理定律、测定基本物理常数，并获取原子与分子结构的重要参数。本实验组长期致力于氢分子、氦原子等少电子体系的精密光谱测量，目前已在双电子系统（包括氦原子和氢分子）的跃迁频率测量方面达到国际最高精度。这些研究成果不仅为量子电动力学理论提供了严格的实验验证，还应用于基本物理常数的精确测定，以及对标准模型的深入检验。欢迎进一步了解我们的前沿探索！

氢分子精密光谱

氢分子（包括H₂、HD、D₂等）是自然界中最简单的中性分子体系，由两个原子核和两个电子组成，是少数几个能够从量子力学基本原理出发进行精确求解的多体系统之一，长期以来一直处于现代物理学研究的前沿。

图1. Heitler-London分子价键理论 (From HyperPhysics)

早在量子力学建立初期，Heitler和London便通过对H₂分子解离能的实验测量与理论计算，首次揭示了“化学键合”本质上是量子力学的现象。在随后的近一个世纪中，氢分子逐渐被确认为检验相对论效应和量子电动力学（QED）的理想体系。近年来的理论研究表明，氢分子能级的高精度量子计算强烈依赖于高阶相对论与QED修正，并且对质子电荷半径、质子-电子质量比等基本物理常数高度敏感。因此，对氢分子进行精密光谱测量，不仅能够高精度检验QED理论，还可用于在分子系统中实现基本物理常数的精确测定。

图2. 氢分子能量的理论解释 （by C. –F. Cheng）

我们采用超高灵敏度的光腔衰荡光谱技术，实现了对H₂分子近红外电四极矩跃迁的精密测量，不确定度达到当时国际最优水平，并以9位有效数字的精度验证了量子理论计算。此外，我们结合光频梳校准的光腔增强饱和吸收光谱技术，在国际上首次观测到HD分子泛频跃迁的无多普勒兰姆凹陷光谱，频率测量精度高达10位有效数字，并论证了该方法在质子-电子质量比等基本常数测定中的应用潜力。

我们与荷兰、瑞士科学家合作，成功研制出消“啁啾”真空紫外激光系统，将H₂分子解离能的测量精度提升至亚MHz量级。该精度的进一步提升有望为质子电荷半径的确定提供关键实验依据。

图3. 氢分子能量的实验观测 （by E. J. Salumbides）

展望未来，我们计划通过发展光腔增强光谱探测新技术，结合高精度中红外激光源、低温环境以及分子束技术，将氢分子红外光谱的测量精度推进至10^-10以上水平。在此基础上，致力于实现质子-电子质量比等一系列基本物理常数的高精度测定，并进一步探索标准模型之外的“新物理”。

氦原子精密光谱

氦原子是最简单的多电子原子，其实验与理论精度都已好于10^-11，是验证量子电动力学计算，检验基本物理常数的理想体系。

图1. 氦原子束流装置

我们在中国科学技术大学搭建了亚稳态氦原子束流装置。该装置结合激光冷却技术，对射频放电产生的亚稳态氦原子进行冷却、压缩、偏转，增强原子束流的强度，并通过光学抽运和梯度磁场实现单量子态探测。

图2. 氦-4原子2³P精细结构结果比对

目前氦原子束流光谱主要开展精细结构与绝对频率测定两方面实验。本课题组测定氦-4原子2³P₀-2³P₂和2³P₁-2³P₂精细结构分裂分别为31,908,130.98±0.13 kHz和2,291,177.56±0.19 kHz，是迄今国际上报道最精确的测量结果之一（如图5所示）。目前该精细结构结果仍未统一，其中加拿大约克大学的Hessels组使用改进的微波方法获取了超高精度结果，但与量子电动力学理论和其他实验结果存在明显偏差。我们未来将进行电离探测等改进，消除量子干涉效应的影响，有望将把原子体系中的α常数测定提高至2×10^-9精度。

图3. 2³S-2³P跃迁中心频率结果比对

图4. 氦原子同位素位移结果汇总

在2³S-2³P跃迁的绝对频率测量中，采用行波探测方案与变速度测量，我们发现了后选择效应这一系统误差，该效应可导致测量结果偏差超50倍测量精度。我们已将氦-4原子这一跃迁的绝对频率测定亚kHz水平，为国际最高精度结果。未来将在氦-3体系中对同一跃迁进行高精度测量，获取独立的同位素位移结果，并与氦原子其他跃迁以及缪氦离子测定结果相比较，测定氦电荷半径，推动“质子半径之谜”的解决。