近日,中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院原子分子外場理論組研究員唐麗艷、副研究員張永慧等,與澳大利亞國立大學(xué)、加拿大溫莎大學(xué)合作,實(shí)現(xiàn)了氦原子413 nm幻零波長的精確計(jì)算和精密測量,開辟了“隱形”原子幻零波長精密測量檢驗(yàn)量子電動力學(xué)(QED)理論的新途徑。相關(guān)研究成果以Measurement of a helium tune-out frequency: an independent test of quantum electrodynamics為題,發(fā)表在《科學(xué)》(Science)上。
不同于傳統(tǒng)的檢驗(yàn)QED理論的能譜測量方法,該研究采用“隱形”原子的幻零波長對QED進(jìn)行檢驗(yàn)?;昧悴ㄩL指的是當(dāng)激光波長調(diào)制到特定的頻率時,原子單個能態(tài)的斯塔克頻移為零,原子在激光場中就像隱形了一般。該合作團(tuán)隊(duì)通過改變磁阱中氦原子玻色愛因斯坦凝聚體的空間振蕩頻率來測量光學(xué)偶極勢的新方法,同時結(jié)合高精度原子結(jié)構(gòu)理論計(jì)算,實(shí)現(xiàn)了在三百萬分之一水平上對QED理論的新檢驗(yàn)。澳大利亞國立大學(xué)K. Baldwin實(shí)驗(yàn)小組完成了幻零波長實(shí)驗(yàn)測量工作,唐麗艷、張永慧及加拿大溫莎大學(xué)教授G. W. F. Drake負(fù)責(zé)理論計(jì)算工作。
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【中科院之聲】精密測量院等實(shí)現(xiàn)“隱形”原子幻零波長精密計(jì)算
近日,中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院原子分子外場理論組研究員唐麗艷、副研究員張永慧等,與澳大利亞國立大學(xué)、加拿大溫莎大學(xué)合作,實(shí)現(xiàn)了氦原子413 nm幻零波長的精確計(jì)算和精密測量,開辟了“隱形”原子幻零波長精密測量檢驗(yàn)量子電動力學(xué)(QED)理論的新途徑。相關(guān)研究成果以Measurement of a helium tune-out frequency: an independent test of quantum electrodynamics為題,發(fā)表在《科學(xué)》(Science)上。
QED是描述粒子間電磁相互作用的基本物理理論,是支撐現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展的基石。對QED理論的嚴(yán)格檢驗(yàn)有助于確定基本物理常數(shù)、探究原子核相關(guān)性質(zhì),以及探索超越標(biāo)準(zhǔn)模型以外的新物理,因此自QED理論提出的近80年以來,人們對QED理論的檢驗(yàn)從未間斷。迄今為止,QED理論檢驗(yàn)的方法有電子反常磁矩的精確確定,少電子原子分子精密譜研究。
不同于傳統(tǒng)的檢驗(yàn)QED理論的能譜測量方法,該研究采用“隱形”原子的幻零波長對QED進(jìn)行檢驗(yàn)?;昧悴ㄩL指的是當(dāng)激光波長調(diào)制到特定的頻率時,原子單個能態(tài)的斯塔克頻移為零,原子在激光場中就像隱形了一般。該合作團(tuán)隊(duì)通過改變磁阱中氦原子玻色愛因斯坦凝聚體的空間振蕩頻率來測量光學(xué)偶極勢的新方法,同時結(jié)合高精度原子結(jié)構(gòu)理論計(jì)算,實(shí)現(xiàn)了在三百萬分之一水平上對QED理論的新檢驗(yàn)。澳大利亞國立大學(xué)K. Baldwin實(shí)驗(yàn)小組完成了幻零波長實(shí)驗(yàn)測量工作,唐麗艷、張永慧及加拿大溫莎大學(xué)教授G. W. F. Drake負(fù)責(zé)理論計(jì)算工作。
2013年,澳大利亞查爾斯達(dá)爾文大學(xué)教授J. Mitroy和唐麗艷首次從理論上提出“利用幻零波長檢驗(yàn)原子QED理論”的新方案【Phys. Rev. A 88, 052515 (2013)】。2015年,K. Baldwin實(shí)驗(yàn)小組與理論小組合作實(shí)現(xiàn)了氦原子幻零波長5 ppm (~10-6)精度下的實(shí)驗(yàn)測量【Phys. Rev. Lett. 115, 043004 (2015)】。當(dāng)時的實(shí)驗(yàn)測量與理論預(yù)言之間存在134 ppm的差異。為了闡釋這一差異,理論團(tuán)隊(duì)自主發(fā)展了系列高精度的原子結(jié)構(gòu)計(jì)算方法,實(shí)現(xiàn)了精度為0.1 ppm水平的理論預(yù)言【Phys. Rev. A 99, 040502(R) (2019)】,對新一輪的國際合作起到積極的推進(jìn)作用。
自2019年,科學(xué)家們持續(xù)合作,利用迄今最靈敏的測量光偶極勢的方法(圖1)識別出只有10-35 J的峰值勢能,實(shí)現(xiàn)了“隱形”氦原子幻零波長精度高達(dá)0.35 ppm的實(shí)驗(yàn)測定,測量精度較2015年的實(shí)驗(yàn)測量提高20倍。理論上精確計(jì)算了延遲效應(yīng)和磁化率對幻零波長的修正,精度達(dá)10 ppb(~10-9)水平。實(shí)驗(yàn)測量與理論計(jì)算相比較證實(shí)幻零波長對QED修正和延遲效應(yīng)的敏感性(圖2),印證了J. Mitroy和唐麗艷提出的理論預(yù)言。未來,實(shí)驗(yàn)測量精度有望提高一個數(shù)量級,達(dá)到30 ppb水平,在此精度下一方面可拓寬科學(xué)家對于QED理論的認(rèn)知,另一方面可探測到原子核的相關(guān)效應(yīng),這為從“隱形”原子角度探究核結(jié)構(gòu)性質(zhì)開辟新的研究窗口。
研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持。
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媒體鏈接:https://www.cas.cn/zkyzs/2022/04/343/kyjz/202204/t20220426_4832801.shtml