近日，精密測(cè)量院原子分子外場(chǎng)理論組研究員唐麗艷、副研究員張永慧等與澳大利亞國(guó)立大學(xué)、加拿大溫莎大學(xué)合作，實(shí)現(xiàn)了氦原子413 nm幻零波長(zhǎng)的精確計(jì)算和精密測(cè)量，開辟了“隱形”原子幻零波長(zhǎng)精密測(cè)量檢驗(yàn)量子電動(dòng)力學(xué)（QED）理論的新途徑。相關(guān)研究成果發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》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(xué)發(fā)展的基石。對(duì)QED理論的嚴(yán)格檢驗(yàn)有助于確定基本物理常數(shù)、探究原子核相關(guān)性質(zhì)、以及探索超越標(biāo)準(zhǔn)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(duì)QED理論的檢驗(yàn)從未間斷。迄今QED理論檢驗(yàn)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(yàn)QED理論的能譜測(cè)量方法，該工作采用 “隱形”原子的幻零波長(zhǎng)對(duì)QED進(jìn)行檢驗(yàn)。幻零波長(zhǎng)指的是當(dāng)激光波長(zhǎng)調(diào)制到特定的頻率時(shí)，原子單個(gè)能態(tài)的斯塔克頻移為零，原子在激光場(chǎng)中就像隱形了一般。國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)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(cè)量光學(xué)偶極勢(shì)的新方法，同時(shí)結(jié)合高精度原子結(jié)構(gòu)理論計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了在三百萬分之一水平上對(duì)QED理論的新檢驗(yàn)。澳大利亞國(guó)立大學(xué)K. Baldwin實(shí)驗(yàn)小組完成了幻零波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量工作，精密測(cè)量院唐麗艷研究員和張永慧副研究員、以及溫莎大學(xué)的G. W. F. Drake教授負(fù)責(zé)理論計(jì)算工作。

　　利用幻零波長(zhǎng)檢驗(yàn)原子QED理論的新方案最早是2013年澳大利亞查爾斯達(dá)爾文大學(xué)的J. Mitroy教授和精密測(cè)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(guó)立大學(xué)K. Baldwin實(shí)驗(yàn)小組與理論合作實(shí)現(xiàn)了氦原子幻零波長(zhǎng)5 ppm （~10^-6）精度下的實(shí)驗(yàn)測(cè)量[Phys. Rev. Lett. 115, 043004 (2015)]。當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量與理論預(yù)言之間存在134 ppm的差異。為了揭示這一差異，理論團(tuán)隊(duì)自主發(fā)展了系列高精度的原子結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了精度為0.1 ppm水平的理論預(yù)言 [Phys. Rev. A 99, 040502(R) (2019)]，為新一輪的國(guó)際合作起到了積極的推進(jìn)作用。

　　自2019年起，理論與實(shí)驗(yàn)再度合作，利用最靈敏的測(cè)量光偶極勢(shì)的方法（見圖1）識(shí)別出只有10^-35 J的峰值勢(shì)能，實(shí)現(xiàn)了“隱形”氦原子幻零波長(zhǎng)精度高達(dá)0.35 ppm的實(shí)驗(yàn)測(cè)定，測(cè)量精度較2015年的實(shí)驗(yàn)測(cè)量提高20倍。理論上精確計(jì)算了延遲效應(yīng)和磁化率對(duì)幻零波長(zhǎng)的修正，精度達(dá)10 ppb（~10^-9）水平。實(shí)驗(yàn)測(cè)量與理論計(jì)算相比較證實(shí)幻零波長(zhǎng)對(duì)QED修正和延遲效應(yīng)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(yù)言。未來實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度有望提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到30 ppb水平，在此精度下一方面可拓寬人們對(duì)于QED理論的認(rèn)知，另一方面可能探測(cè)到原子核的相關(guān)效應(yīng)，這為從“隱形”原子角度探究核結(jié)構(gòu)性質(zhì)開辟新的研究窗口。

　　實(shí)驗(yàn)方案。（A）用頻率可調(diào)制的探測(cè)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(duì)振蕩進(jìn)行采樣。（B）每個(gè)脈沖在x方向上的平均速度V_x被用來追蹤隨時(shí)間變化的振蕩（紅點(diǎn)），并以衰減的正弦波擬合（實(shí)線）提取振蕩頻率。（C）利用對(duì)磁阱頻率的單獨(dú)測(cè)量得到探測(cè)光束阱頻率的平方。幻零波長(zhǎng)是通過線性擬合（實(shí)黑線）尋找探測(cè)光束阱頻率的平方與x軸的交點(diǎn)來確定的

　實(shí)驗(yàn)不確定度與理論計(jì)算誤差的對(duì)比，以及理論計(jì)算中各項(xiàng)修正的貢獻(xiàn)

　　相關(guān)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(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院先導(dǎo)專項(xiàng)項(xiàng)目的資助。

   論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk2502