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精密测量院实现“隐形”原子幻零波长精密计算 开辟量子电动力学理论检验的新方法

  •   近日,精密测量院原子分子外场理论组研究员唐丽艳、副研究员张永慧等与澳大利亚国立大学、加拿大温莎大学合作,实现了氦原子413 nm幻零波长的精确计算和精密测量,开辟了“隐形”原子幻零波长精密测量检验量子电动力学(QED)理论的新途径。相关研究成果发表在国际学术期刊《科学》杂志上。

      QED是描述粒子间电磁相互作用的基本物理理论,是支撑现代物理学发展的基石。对QED理论的严格检验有助于确定基本物理常数、探究原子核相关性质、以及探索超越标准模型以外的新物理,因此自QED理论提出的近80年以来,人们对QED理论的检验从未间断。迄今QED理论检验的方法有电子反常磁矩的精确确定,少电子原子分子精密谱研究。

      不同于传统的检验QED理论的能谱测量方法,该工作采用 “隐形”原子的幻零波长对QED进行检验。幻零波长指的是当激光波长调制到特定的频率时,原子单个能态的斯塔克频移为零,原子在激光场中就像隐形了一般。国际合作团队通过改变磁阱中氦原子玻色爱因斯坦凝聚体的空间振荡频率来测量光学偶极势的新方法,同时结合高精度原子结构理论计算,实现了在三百万分之一水平上对QED理论的新检验。澳大利亚国立大学K. Baldwin实验小组完成了幻零波长实验测量工作,精密测量院唐丽艳研究员和张永慧副研究员、以及温莎大学的G. W. F. Drake教授负责理论计算工作。

      利用幻零波长检验原子QED理论的新方案最早是2013年澳大利亚查尔斯达尔文大学的J. Mitroy教授和精密测量院唐丽艳研究员首次从理论上提出来[Phys. Rev. A 88, 052515 (2013)]。2015年,澳大利亚国立大学K. Baldwin实验小组与理论小组合作实现了氦原子幻零波长5 ppm (~10-6)精度下的实验测量[Phys. Rev. Lett. 115, 043004 (2015)]。当时的实验测量与理论预言之间存在134 ppm的差异。为了揭示这一差异,理论团队自主发展了系列高精度的原子结构计算方法,实现了精度为0.1 ppm水平的理论预言 [Phys. Rev. A 99, 040502(R) (2019)],为新一轮的国际合作起到了积极的推进作用。

      自2019年起,理论与实验再度合作,利用最灵敏的测量光偶极势的方法(见图1)识别出只有10-35 J的峰值势能,实现了“隐形”氦原子幻零波长精度高达0.35 ppm的实验测定,测量精度较2015年的实验测量提高20倍。理论上精确计算了延迟效应和磁化率对幻零波长的修正,精度达10 ppb(~10-9)水平。实验测量与理论计算相比较证实幻零波长对QED修正和延迟效应的敏感性(见图2),印证了J. Mitroy教授和唐丽艳研究员最早提出的理论预言。未来实验测量精度有望提高一个数量级,达到30 ppb水平,在此精度下一方面可拓宽人们对于QED理论的认知,另一方面可能探测到原子核的相关效应,这为从“隐形”原子角度探究核结构性质开辟新的研究窗口。

    实验方案。(A)用频率可调制的探测光照亮磁捕获的亚稳态氦原子BEC凝聚体,从BEC中耦合一系列原子激光脉冲,对振荡进行采样。(B)每个脉冲在x方向上的平均速度Vx被用来追踪随时间变化的振荡(红点),并以衰减的正弦波拟合(实线)提取振荡频率。(C)利用对磁阱频率的单独测量得到探测光束阱频率的平方。幻零波长是通过线性拟合(实黑线)寻找探测光束阱频率的平方与x轴的交点来确定的

    实验不确定度与理论计算误差的对比,以及理论计算中各项修正的贡献

      相关研究成果以“Measurement of a helium tune-out frequency: an independent test of quantum electrodynamics”为题发表在国际著名学术期刊《科学》杂志上,唐丽艳是论文的通讯作者之一。

      该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、中科院先导专项项目的资助。

      论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk2502

    责编 :刘虹洁