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！

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

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。

图4. 氦原子同位素位移结果汇总