氦原子是最基本的多電子原子，基于量子電動力學（QED）理論的全量子計算方法可以僅僅從基本物理常數出發，得到其高精度的能級結構。近日，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗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，該結果于近日在線發表在物理評論快報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能級精細結構分裂測量[Phys. Rev. Lett.118: 063001 (2017)]后在該領域獲得的又一個重要的成果。
據悉，該系列工作得到了中科院精密測量先導計劃、國家自然科學基金委、量子信息和量子物理協同創新中心、能源化學協同創新中心的持續支持。
該課題組在中國科學技術大學搭建了一套氦原子束精密光譜測量裝置。利用所產生的亞穩態氦原子束流，結合激光冷卻原子技術大幅提高其亮度，并通過激光制備單量子態氦原子(23S1)，經單頻激光激發其23S1-23PJ躍遷，最后基于單態選擇的原子探測以及光學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
該實驗測得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果。項目合作者、國際少體原子分子精密譜理論方面最著名的專家、波蘭華沙大學的K. Pachucki教授認為目前該實驗結果，已經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果進行比對，將可能被用來檢驗超越標準模型的新物理。另一方面，關于氦-4與氦-3原子核電荷半徑差，近20年來的多個研究結果并不符合，至今原因不明。本次測量的結果發現和前人實驗之間存在著一個20倍標準差的頻率偏差，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工作，關于4He原子精細結構分裂的測量，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果。PRL審稿人給出了很高的評價，認為該工作“推進了精密測量領域”、“展示了激光光譜測量精度所能達到的極限”。
