近日，精密測量院研究員高克林、管樺實驗團(tuán)隊、研究員史庭云理論團(tuán)隊與加拿大新不倫瑞克大學(xué)教授嚴(yán)宗朝、加拿大溫莎大學(xué)教授G. W. F. Drake、海南大學(xué)教授鐘振祥、浙江理工大學(xué)講師戚曉秋等實驗團(tuán)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(jìn)展，將⁶Li⁺離子2³S和2³P態(tài)超精細(xì)結(jié)構(gòu)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(dú)立于原子核模型，為揭示鋰原子核結(jié)構(gòu)、特別是⁶Li核的奇特性質(zhì)以及檢驗相關(guān)的核結(jié)構(gòu)模型提供重要的依據(jù)。該工作將進(jìn)一步促進(jìn)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(jié)構(gòu)理論與實驗的開展。相關(guān)研究發(fā)表在物理學(xué)權(quán)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(tài)QED理論、確定精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)、獲取原子核結(jié)構(gòu)信息以及探索超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理中有著重要的應(yīng)用，是當(dāng)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(lǐng)導(dǎo)的實驗團(tuán)隊與研究員史庭云領(lǐng)導(dǎo)的理論團(tuán)隊等合作開展類氦鋰離子精密譜研究已逾十年，研究團(tuán)隊基于電子碰撞電離方案研制了一臺亞穩(wěn)態(tài)Li⁺離子束源裝置，其各項性能指標(biāo)（束流強(qiáng)度、發(fā)散角、穩(wěn)定度等）均達(dá)到或超過國際上同類裝置最高水平。利用該裝置產(chǎn)生的離子束，團(tuán)隊采用飽和熒光光譜測量方法精確確定了⁷Li⁺離子2³S₁和2³P_J能級的精細(xì)結(jié)構(gòu)和超精細(xì)結(jié)構(gòu)劈裂，不確定度小于100 kHz，較此前國際上最好結(jié)果提高一個數(shù)量級（Phys. Rev. A 102, 030801(R) (2020)）。同時，實驗理論相結(jié)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(dá)50 MHz，遠(yuǎn)大于譜線的自然線寬（3.7 MHz），由此得到的測量結(jié)果具有較大的統(tǒng)計不確定度。為了進(jìn)一步提高測量精度，在本工作中，研究團(tuán)隊利用三駐波場光學(xué)Ramsey技術(shù)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(tǒng)計不確定度減小至kHz量級；通過對量子干涉效應(yīng)、一階多普勒效應(yīng)、二階多普勒效應(yīng)、Zeeman效應(yīng)以及激光功率等各項系統(tǒng)誤差的抑制，實現(xiàn)了10 kHz 精度的⁶Li⁺離子2³S₁和2³P_J能級的超精細(xì)結(jié)構(gòu)劈裂。該超精細(xì)結(jié)構(gòu)劈裂的測量精度較前人結(jié)果提高5~50倍。在理論方面，研究團(tuán)隊首次計算了包括高階量子電動力學(xué)（QED）效應(yīng)在內(nèi)的^6,7Li⁺離子2 ³S和2 ³P態(tài)超精細(xì)劈裂。包含完整的m ⁶階相對論和輻射修正，理論精度較前人結(jié)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(rèn)了⁷Li的核Zemach半徑比⁶Li的大40%這一反?，F(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)由⁶Li⁺的2³S態(tài)超精細(xì)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(jié)構(gòu)。該結(jié)果將進(jìn)一步推動更多相關(guān)理論和實驗的發(fā)展。

　　該最新研究成果近期發(fā)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(xué)基金，中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項，中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會和中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊計劃等相關(guān)項目的資助。

　　論文鏈接: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.103002