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精密测量院锂离子精密光谱研究取得重要进展

发布时间：2023/9/12 9:46:35编辑：Ma Liang
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近日，精密测量院研究员高克林、管桦实验团队、研究员史庭云理论团队与加拿大新不伦瑞克大学教授严宗朝、加拿大温莎大学教授G. W. F. Drake、海南大学教授钟振祥、浙江理工大学讲师戚晓秋等实验团队合作，在少电子原子体系－－锂离子精密谱研究中取得重要进展，将6Li 离子23S和23P态超精细结构劈裂的测量精度提高至10 kHz水平，同时精确确定了6Li原子核的电磁分布半径（Zemach半径）。此项基于原子精密光谱的工作独立于原子核模型，为揭示锂原子核结构、特别是6Li核的奇特性质以及检验相关的核结构模型提供重要的依据。该工作将进一步促进Li 离子精密光谱的实验和理论研究，同时将推动少核子体系核结构理论与实验的开展。相关研究发表在物理学权威期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

少电子原子体系（如氢、氦原子以及类氢、类氦离子等）精密谱的实验与理论研究在检验束缚态QED理论、确定精细结构常数、获取原子核结构信息以及探索超越标准模型的新物理中有着重要的应用，是当前国际上精密测量物理的重点方向之一。

精密测量院研究员高克林、管桦领导的实验团队与研究员史庭云领导的理论团队等合作开展类氦锂离子精密谱研究已逾十年，研究团队基于电子碰撞电离方案研制了一台亚稳态Li 离子束源装置，其各项性能指标（束流强度、发散角、稳定度等）均达到或超过国际上同类装置最高水平。利用该装置产生的离子束，团队采用饱和荧光光谱测量方法精确确定了7Li 离子23S1和23PJ能级的精细结构和超精细结构劈裂，不确定度小于100 kHz，较此前国际上最好结果提高一个数量级（Phys. Rev. A 102, 030801（R）（2020））。同时，实验理论相结合，精确确定了7Li原子核的Zemach半径（Phys. Rev. Lett. 125, 183002（2020））。

锂离子Ramsey光谱测量图

在饱和荧光光谱方法中，主要受制于谱线的渡越时间展宽，得到的兰姆凹陷线宽达50 MHz，远大于谱线的自然线宽（3.7 MHz），由此得到的测量结果具有较大的统计不确定度。为了进一步提高测量精度，在本工作中，研究团队利用三驻波场光学Ramsey技术消除谱线的渡越时间展宽，获得了线宽约5 MHz的Ramsey干涉条纹，统计不确定度减小至kHz量级；通过对量子干涉效应、一阶多普勒效应、二阶多普勒效应、Zeeman效应以及激光功率等各项系统误差的抑制，实现了10 kHz 精度的6Li 离子23S1和23PJ能级的超精细结构劈裂。该超精细结构劈裂的测量精度较前人结果提高5~50倍。在理论方面，研究团队首次计算了包括高阶量子电动力学（QED）效应在内的6,7Li 离子2 3S和2 3P态超精细劈裂。包含完整的mα6阶相对论和辐射修正，理论精度较前人结果有所提升，理论与实验符合程度较好。通过比较6,7Li 离子的理论计算和实验测量值，得到6Li和7Li原子核的Zemach半径分别为2.44（2） fm和3.38（3） fm，确认了7Li的核Zemach半径比6Li的大40%这一反常现象，并发现由6Li 的23S态超精细劈裂确定的Zemach半径与核物理方法得到的值3.71（16） fm有显著差异，表明6Li核可能具有反常的核结构。该结果将进一步推动更多相关理论和实验的发展。

该最新研究成果近期发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。精密测量院博士后孙伟和副研究员张佩佩为文章的共同第一作者，研究员管桦、高克林为文章共同通讯作者。

该研究得到了国家自然科学基金，中国科学院战略性先导科技专项，中国科学院青年创新促进会和中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划等相关项目的资助。