氦原子是最基本的多電子原子，基于量子電動(dòng)力學(xué)（QED）理論的全量子計(jì)算方法可以僅僅從基本物理常數(shù)出發(fā)，得到其高精度的能級結(jié)構(gòu)。近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)中心激光精密測量與痕量探測研究組（atta.ustc.edu.cn）將氦-4原子2S-2P躍遷能級中心頻率測定到了1.4kHz的精度，相對精度 5.1×10?12，該結(jié)果于近日在線發(fā)表在物理評論快報(bào)Phys. Rev. Lett. 119: 263002 (2017)。論文第一作者為博士研究生鄭昕，通訊作者為特任副研究員孫羽博士和胡水明教授。這是該課題組繼氦-4原子23PJ能級精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂測量[Phys. Rev. Lett.118: 063001　(2017)]后在該領(lǐng)域獲得的又一個(gè)重要的成果。 

據(jù)悉，該系列工作得到了中科院精密測量先導(dǎo)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委、量子信息和量子物理協(xié)同創(chuàng)新中心、能源化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心的持續(xù)支持。

該課題組在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)搭建了一套氦原子束精密光譜測量裝置。利用所產(chǎn)生的亞穩(wěn)態(tài)氦原子束流，結(jié)合激光冷卻原子技術(shù)大幅提高其亮度，并通過激光制備單量子態(tài)氦原子(23S1)，經(jīng)單頻激光激發(fā)其23S1-23PJ躍遷，最后基于單態(tài)選擇的原子探測以及光學(xué)頻率梳頻率精確測定，獲得高精度的躍遷頻率。 

圖1. 氦原子精密光譜測量裝置示意圖 

該實(shí)驗(yàn)測得4He原子2S-2P能級躍遷的中心頻率為276,736,495,600.0 ±0.45(stat) ±1.3(syst) kHz，是目前國際上最高精度的測量結(jié)果。項(xiàng)目合作者、國際少體原子分子精密譜理論方面最著名的專家、波蘭華沙大學(xué)的K. Pachucki教授認(rèn)為目前該實(shí)驗(yàn)結(jié)果，已經(jīng)可以滿足測量氦核半徑到千分之一精度的需要，未來通過和μ-氦原子測量得到的核電荷半徑結(jié)果進(jìn)行比對，將可能被用來檢驗(yàn)超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理。另一方面，關(guān)于氦-4與氦-3原子核電荷半徑差，近20年來的多個(gè)研究結(jié)果并不符合，至今原因不明。本次測量的結(jié)果發(fā)現(xiàn)和前人實(shí)驗(yàn)之間存在著一個(gè)20倍標(biāo)準(zhǔn)差的頻率偏差，這極有可能是該核電荷半徑差偏差問題的原因。 

該課題組同年的另一個(gè)工作，關(guān)于4He原子精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂的測量，將23P0-23P2和23P1-23P2分裂分別測定到31,908,130.98 ± 0.13 kHz和2,291,177.56 ± 0.19 kHz，是迄今最精確的測量結(jié)果。PRL審稿人給出了很高的評價(jià)，認(rèn)為該工作“推進(jìn)了精密測量領(lǐng)域”、“展示了激光光譜測量精度所能達(dá)到的極限”。