近日，精密測量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、加拿大溫莎大學合作，實現(xiàn)了氦原子413 nm幻零波長的精確計算和精密測量，開辟了“隱形”原子幻零波長精密測量檢驗量子電動力學（QED）理論的新途徑。相關研究成果發(fā)表在國際學術期刊《科學》雜志上。
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)代物理學發(fā)展的基石。對QED理論的嚴格檢驗有助于確定基本物理常數(shù)、探究原子核相關性質(zhì)、以及探索超越標準模型以外的新物理，因此自QED理論提出的近80年以來，人們對QED理論的檢驗從未間斷。迄今QED理論檢驗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QED理論的能譜測量方法，該工作采用 “隱形”原子的幻零波長對QED進行檢驗?；昧悴ㄩL指的是當激光波長調(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。國際合作團隊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偶極勢的新方法，同時結合高精度原子結構理論計算，實現(xiàn)了在三百萬分之一水平上對QED理論的新檢驗。澳大利亞國立大學K. Baldwin實驗小組完成了幻零波長實驗測量工作，精密測量院唐麗艷研究員和張永慧副研究員、以及溫莎大學的G. W. F. Drake教授負責理論計算工作。
利用幻零波長檢驗原子QED理論的新方案最早是2013年澳大利亞查爾斯達爾文大學的J. Mitroy教授和精密測量院唐麗艷研究員首次從理論上提出來[Phys. Rev. A 88, 052515 (2013)]。2015年，澳大利亞國立大學K. Baldwin實驗小組與理論合作實現(xiàn)了氦原子幻零波長5 ppm （~10-6）精度下的實驗測量[Phys. Rev. Lett. 115, 043004 (2015)]。當時的實驗測量與理論預言之間存在134 ppm的差異。為了揭示這一差異，理論團隊自主發(fā)展了系列高精度的原子結構計算方法，實現(xiàn)了精度為0.1 ppm水平的理論預言 [Phys. Rev. A 99, 040502(R) (2019)]，為新一輪的國際合作起到了積極的推進作用。
自2019年起，理論與實驗再度合作，利用最靈敏的測量光偶極勢的方法（見圖1）識別出只有10-35 J的峰值勢能，實現(xiàn)了“隱形”氦原子幻零波長精度高達0.35 ppm的實驗測定，測量精度較2015年的實驗測量提高20倍。理論上精確計算了延遲效應和磁化率對幻零波長的修正，精度達10 ppb（~10-9）水平。實驗測量與理論計算相比較證實幻零波長對QED修正和延遲效應的敏感性（見圖2），印證了J. Mitroy教授和唐麗艷研究員最早提出的理論預言。未來實驗測量精度有望提高一個數(shù)量級，達到30 ppb水平，在此精度下一方面可拓寬人們對于QED理論的認知，另一方面可能探測到原子核的相關效應，這為從“隱形”原子角度探究核結構性質(zhì)開辟新的研究窗口。
實驗方案。（A）用頻率可調(diào)制的探測光照亮磁捕獲的亞穩(wěn)態(tài)氦原子BEC凝聚體，從BEC中耦合一系列原子激光脈沖，對振蕩進行采樣。（B）每個脈沖在x方向上的平均速度Vx被用來追蹤隨時間變化的振蕩（紅點），并以衰減的正弦波擬合（實線）提取振蕩頻率。（C）利用對磁阱頻率的單獨測量得到探測光束阱頻率的平方?；昧悴ㄩL是通過線性擬合（實黑線）尋找探測光束阱頻率的平方與x軸的交點來確定的
實驗不確定度與理論計算誤差的對比，以及理論計算中各項修正的貢獻
相關研究成果以“Measurement of a helium tune-out frequency: an independent test of quantum electrodynamics”為題發(fā)表在國際著名學術期刊《科學》雜志上，唐麗艷是論文的通訊作者之一。
該研究得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委、中科院先導專項項目的資助。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk2502
新聞