近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心激光精密测量与痕量探测研究组（atta.ustc.edu.cn）将氦-4原子2S-2P跃迁能级中心频率测定到了1.4kHz的精度，相对精度 5.1×10−12，该结果于12月28日在线发表在物理评论快报Phys. Rev. Lett. 119: 263002 (2017)。论文第一作者为博士研究生郑昕，通讯作者为特任副研究员孙羽博士和胡水明教授。这是该课题组继氦-4原子23PJ能级精细结构分裂测量[Phys. Rev. Lett.118: 063001 (2017)]后在该领域获得的又一个重要的成果。
氦原子是最基本的多电子原子，基于量子电动力学（QED）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。4He原子23PJ能级的精细结构，对QED中最基本的物理常数——精细结构常数α（≈1/137）最为敏感，其实验测量和理论结果的对比，对于检验QED理论和α常数十分理想。同时，理论上，由于4He原子受氦原子核有限尺寸大小的影响，其能级将会发生偏移，通过精确测量2S-2P能级跃迁的频率，即可推算出氦原子核电荷半径信息。
该课题组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（图1）。利用所产生的亚稳态氦原子束流，结合激光冷却原子技术大幅提高其亮度，并通过激光制备单量子态氦原子(23S1)，经单频激光激发其23S1-23PJ跃迁，最后基于单态选择的原子探测以及光学频率梳频率精确测定，获得高精度的跃迁频率。
图1. 氦原子精密光谱测量装置示意图
该实验测得4He原子2S-2P能级跃迁的中心频率为276,736,495,600.0 ±0.45(stat) ±1.3(syst) kHz，是目前国际上最高精度的测量结果。项目合作者、国际少体原子分子精密谱理论方面最著名的专家、波兰华沙大学的K. Pachucki教授认为目前该实验结果，已经可以满足测量氦核半径到千分之一精度的需要，未来通过和μ-氦原子测量得到的核电荷半径结果进行比对，将可能被用来检验超越标准模型的新物理。另一方面，关于氦-4与氦-3原子核电荷半径差，近20年来的多个研究结果并不符合，至今原因不明。本次测量的结果发现和前人实验之间存在着一个20倍标准差的频率偏差，这极有可能是该核电荷半径差偏差问题的原因。
该课题组同年的另一个工作，关于4He原子精细结构分裂的测量，将23P0-23P2和23P1-23P2分裂分别测定到31,908,130.98 ± 0.13 kHz和2,291,177.56 ± 0.19 kHz，是迄今最精确的测量结果。PRL审稿人给出了很高的评价，认为该工作“推进了精密测量领域”、“展示了激光光谱测量精度所能达到的极限”。
该系列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、量子信息和量子前沿科技协同创新中心、能源化学协同创新中心的持续支持。
论文链接：
（微尺度物质科学国家研究中心、科研部）