氦原子精密光谱测量


氦原子是最简单的多电子原子,基于量子电动力学理论的全量子计算方法可以仅仅从基本物理常数出发,得到其高精度的能级结构。而实验测量和理论结果的对比,就成为在原子体系中的一个十分理想的检验量子电动力学理论和基本物理常数的手段。

我们在中国科学技术大学搭建了一套氦原子束精密光谱测量装置。目前对氦-4原子(23PJ)精细结构能级分裂的测量精度达到亚千赫兹的水平。该装置如图1所示。

图1.氦原子精密光谱测量装置示意图

该实验方案的基本原理是,首先产生高亮度的亚稳态氦原子束流,结合激光冷却原子技术,压缩氦原子束流的横向发散角,增强原子束流的强度,并通过激光制备单量子态氦原子,并实现单态选择的原子探测,从而获得高精度的原子跃迁频率。

目前我们已经通过大量实验测量和分析得到了氦-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(如图2所示)。项目合作者、国际少体原子精密谱理论方面最著名的专家、波兰华沙大学的K. Pachucki教授认为其结果对于进一步的理论工作具有十分重要的指导意义,将把原子体系中的α常数测定提高至2×10-9精度。

我们计划将利用光频梳进一步测定23S1-23PJ跃迁的绝对频率,以及氦3-氦4的同位素位移。这些测量将对测定精细结构常数、检验量子电动力学、测定基本核结构等基本物理问题具有重要意义。

该工作得到了中科院精密测量先导计划、国家自然科学基金委、量子信息和量子物理协同创新中心、能源化学协同创新中心的持续支持。

图2.氦-4原子23P0,1-23P2能级精细结构分裂理论实验结果对比

相关文献


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