7Li+离子2 3P能级精细和超精细结构分裂的精密光谱测量

High-precision spectroscopy of few-electron atoms/ions is a powerful tool for testing fundamental theories of physics and for an accurate determination of the fine-structure constant. In this study，the frequency difference between 2 3P ← 2 3S optical transitions of 7Li+ ion is going to be measured with fluorescence-saturation spectroscopy in a metastable lithium ion beam, from which the fine- and hyperfine-structure splitting in the 2 3P Levels of 7Li+ will be derived, with accuracy better than 50 kHz. A stringent test of the most recent atomic structure theory and bound state quantum electrodynamics (QED) theory in Coulomb three-body system will be conducted by comparing the experimental results with newest theoretical data.

少电子原子体系的精密光谱测量，是检验基本物理理论和获取基本物理常数的重要手段。本项目中，我们拟利用荧光饱和光谱技术，对2 3S1亚稳态7Li+离子束进行精密光谱测量。通过测量7Li+离子2 3P ← 2 3S电偶极跃迁的频率，精确确定7Li+离子2 3P能级的精细结构和超精细结构分裂裂距，预期测量精度优于50 kHz。在此基础上，通过对比理论计算结果，可对最新的原子结构理论以及库仑三体系统中的束缚态量子电动力学（QED）理论进行高精度的独立检验。

少电子原子体系因为其电子与核子数目少，结构相对简单，利于理论上从第一性原理出发研究其电子和核结构，在原子物理与核物理的发展过程中起到了至关重要的作用。近年来，激光技术的发展使得许多原子体系的光谱测量精度有了大幅度的提高，能够反映出许多微小效应如量子电动力学 (QED) 高阶修正、基本物理常数误差及核结构效应等对谱线的影响，这使得少电子原子体系的精密光谱研究成为检验束缚态QED 理论、确定基本物理常数和探索原子核结构信息的重要手段。.氦原子及类氦离子作为典型的少电子原子体系，一直是理论和实验研究的重点对象。当前，氦原子精密谱的理论计算与实验测量都达到了极高的精度，与之相比，类氦锂离子精密谱无论在理论还是实验精度上都还有很大的提升空间。在本项目中，我们利用自研的亚稳态锂离子束源装置，基于三驻波场光学Ramsey方法探测6,7Li+的2 3S1 –2 3PJ (J = 0,1,2)跃迁，通过测量相关谱线的频率差值，来获取6,7Li+离子的2 3S 、2 3P态超精细结构劈裂大小。实验中，通过Ramsey干涉，极大地消除了谱线的渡越时间展宽，获得了接近自然线宽的干涉条纹；同时，结合飞秒光频梳技术，实现了离子跃迁谱线频率的高精度测量。目前，我们对超精细结构劈裂的测量不确定度已达到10 kHz水平，对于7Li+，这一结果比之前的最高实验精度提高了一个数量级；对于6Li+，则提高了两个数量级。我们的实验结果与当前最精确的理论计算值基本吻合，但在精度上要高出理论值2倍左右。结合理论与实验数据，我们得到 6Li与7Li核的Zemach半径分别为2.43(3) fm和3.38(3) fm，这一结果与此前基于原子光谱得到的值一致，而与基于核物理方法得到的结果不同，二者的偏差有待更进一步的研究。.本工作是对当前最新的原子结构理论以及库仑三体系统中束缚态QED理论所进行一次高精度独立检验，同时也验证了光学Ramsey方法在带电离子束上的适用性，为基于离子束的精密光谱测量提供了一种普适且易于实现的实验技术。