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精密測量院鋰離子精密光譜研究取得重要進展

發布時間：2023/9/12 9:46:35編輯：Ma Liang
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近日，精密測量院研究員高克林、管樺實驗團隊、研究員史庭云理論團隊與加拿大新不倫瑞克大學教授嚴宗朝、加拿大溫莎大學教授G. W. F. Drake、海南大學教授鐘振祥、浙江理工大學講師戚曉秋等實驗團隊合作，在少電子原子體系－－鋰離子精密譜研究中取得重要進展，將6Li 離子23S和23P態超精細結構劈裂的測量精度提高至10 kHz水平，同時精確確定了6Li原子核的電磁分布半徑（Zemach半徑）。此項基于原子精密光譜的工作獨立于原子核模型，為揭示鋰原子核結構、特別是6Li核的奇特性質以及檢驗相關的核結構模型提供重要的依據。該工作將進一步促進Li 離子精密光譜的實驗和理論研究，同時將推動少核子體系核結構理論與實驗的開展。相關研究發表在物理學權威期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。

少電子原子體系（如氫、氦原子以及類氫、類氦離子等）精密譜的實驗與理論研究在檢驗束縛態QED理論、確定精細結構常數、獲取原子核結構信息以及探索超越標準模型的新物理中有著重要的應用，是當前國際上精密測量物理的重點方向之一。

精密測量院研究員高克林、管樺領導的實驗團隊與研究員史庭云領導的理論團隊等合作開展類氦鋰離子精密譜研究已逾十年，研究團隊基于電子碰撞電離方案研制了一臺亞穩態Li 離子束源裝置，其各項性能指標（束流強度、發散角、穩定度等）均達到或超過國際上同類裝置最高水平。利用該裝置產生的離子束，團隊采用飽和熒光光譜測量方法精確確定了7Li 離子23S1和23PJ能級的精細結構和超精細結構劈裂，不確定度小于100 kHz，較此前國際上最好結果提高一個數量級（Phys. Rev. A 102, 030801（R）（2020））。同時，實驗理論相結合，精確確定了7Li原子核的Zemach半徑（Phys. Rev. Lett. 125, 183002（2020））。

鋰離子Ramsey光譜測量圖

在飽和熒光光譜方法中，主要受制于譜線的渡越時間展寬，得到的蘭姆凹陷線寬達50 MHz，遠大于譜線的自然線寬（3.7 MHz），由此得到的測量結果具有較大的統計不確定度。為了進一步提高測量精度，在本工作中，研究團隊利用三駐波場光學Ramsey技術消除譜線的渡越時間展寬，獲得了線寬約5 MHz的Ramsey干涉條紋，統計不確定度減小至kHz量級；通過對量子干涉效應、一階多普勒效應、二階多普勒效應、Zeeman效應以及激光功率等各項系統誤差的抑制，實現了10 kHz 精度的6Li 離子23S1和23PJ能級的超精細結構劈裂。該超精細結構劈裂的測量精度較前人結果提高5~50倍。在理論方面，研究團隊首次計算了包括高階量子電動力學（QED）效應在內的6,7Li 離子2 3S和2 3P態超精細劈裂。包含完整的mα6階相對論和輻射修正，理論精度較前人結果有所提升，理論與實驗符合程度較好。通過比較6,7Li 離子的理論計算和實驗測量值，得到6Li和7Li原子核的Zemach半徑分別為2.44（2） fm和3.38（3） fm，確認了7Li的核Zemach半徑比6Li的大40%這一反�，F象，并發現由6Li 的23S態超精細劈裂確定的Zemach半徑與核物理方法得到的值3.71（16） fm有顯著差異，表明6Li核可能具有反常的核結構。該結果將進一步推動更多相關理論和實驗的發展。

該最新研究成果近期發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）。精密測量院博士后孫偉和副研究員張佩佩為文章的共同第一作者，研究員管樺、高克林為文章共同通訊作者。

該研究得到了國家自然科學基金，中國科學院戰略性先導科技專項，中國科學院青年創新促進會和中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃等相關項目的資助。