研究团队研制了更加稳定的亚稳态Li+离子源、采用了稳频于波长计的548nm探测光和快速交替扫描并Doppler-Free的饱和荧光光谱方案,并利用飞秒光梳对探测光频率进行了精确测量,实现了7Li+离子23P态精细结构以及23S和23P态的超精细结构的高精度测量。

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高精度少体原子分子精密谱实验与理论研究在检验束缚态QED理论、确定基本物理常数、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,是当前国际精密测量物理的重点方向之一。

中国科学院精密测量科学与技术创新研究院研究员高克林领导的囚禁离子物理研究组、研究员史庭云领导的原子分子外场理论研究组,加拿大新不伦瑞克大学教授严宗朝和加拿大温莎大学教授G. W. F. Drake合作开展类氦锂离子精密谱研究逾十年,近期在锂离子精密谱研究中取得了重要进展,精确确定了锂原子核的电磁分布半径(Zemach半径)。相关研究发表在期刊Phys. Rev. Lett. Phys. Rev. A上。

在实验方面,针对国际上同类实验的主要问题,研究团队研制了更加稳定的亚稳态Li+离子源、采用了稳频于波长计的548nm探测光和快速交替扫描并Doppler-Free的饱和荧光光谱方案,并利用飞秒光梳对探测光频率进行了精确测量,实现了7Li+离子23P态精细结构以及23S和23P态的超精细结构的高精度测量,精度优于100kHz,比国际上此前最精确的实验值在精度上提高了一个数量级。

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23S 和23P态的超精细劈裂,精度较之前的文献结果提高了一个数量级。通过比较6,7Li+离子的理论计算和实验测量值,发现由6Li+的23S态超精细劈裂确定的Zemach半径与核物理方法(NP)得到的相应值存在6个标准误差,确认了7Li的核电磁分布半径比6Li的大40%这一反常现象。此外,这项研究确定的6Li和7Li原子核的Zemach半径与基于中性6,7Li原子定出的Zemach半径分别存在1.5和2.2个标准误差。这将进一步促进Li+和Li精密光谱实验和理论研究,同时将推动少核子体系核结构理论与实验的开展。

此项基于原子精密光谱的工作,其特点是独立于原子核模型;它将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依据。随着原子光谱精度的不断提高,越来越多的核效应将在原子谱线中得到体现。因此,原子的精密谱研究将成为探测原子核效应的一扇重要窗口,是核物理进入精密时代的独特研究平台。

以上研究工作得到了科技部973项目“基于精密测量物理的引力及相关物理规律研究”、中科院战略性先导科技专项(B类)项目“基于原子的精密测量物理”、中科院院级科研仪器设备研制项目以及国家自然科学基金委相关项目的资助。

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