近日，精密測量院史庭云、唐麗艷、吳芳菲以及倪維斗等研究人員在光鐘體系多極極化率的理論研究方面取得了重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)成功突破了傳統(tǒng)理論方法的限制，首次揭示了以往理論計(jì)算中缺失的負(fù)能態(tài)的重要性。這一發(fā)現(xiàn)闡明了Sr光鐘多極極化率之差理論與實(shí)驗(yàn)強(qiáng)烈不相容的根本原因，從而消除了限制Sr光鐘精度進(jìn)一步提高的主要障礙。相關(guān)研究成果以Letter形式發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《Physical Review A》上，并被遴選為“Editors’ Suggestion”論文，同時(shí)被Physics遴選為亮點(diǎn)工作進(jìn)行同步報(bào)道。

　　光鐘是人類歷史上測量精度最高的原子鐘，隨著光鐘精度的不斷提高，光場引起的非線性效應(yīng)對光鐘精度的影響需要進(jìn)行定量研究。對于Sr原子光晶格鐘，2018年理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量均表明：與電四極（E2）極化率和磁偶極（M1）極化率密切相關(guān)的多極Stark頻移在1E-19精度時(shí)對Sr光鐘構(gòu)成了限制。然而，理論與實(shí)驗(yàn)得到的Sr光鐘多極極化率E2-M1之差存在符號相反的問題，這阻礙了Sr光鐘精度的進(jìn)一步提高。2019年，精密測量院原子分子外場理論組利用相對論芯極化勢和組態(tài)相互作用（DFCP+RCI）的聯(lián)合方法得到了正的E2-M1多極極化率之差，獨(dú)立驗(yàn)證了Safronova等人的理論計(jì)算，但與日本Katori小組的實(shí)驗(yàn)測量值符號相反。因此，需要新的實(shí)驗(yàn)測量來解決Sr光鐘理論與實(shí)驗(yàn)之間的符號差異。

顯含負(fù)能態(tài)的DFCP+RCI理論計(jì)算示意圖

 

　　2023年初，美國JILA的葉軍實(shí)驗(yàn)小組和德國PTB的Lisdat實(shí)驗(yàn)小組幾乎同時(shí)報(bào)道了各自的測量結(jié)果，實(shí)驗(yàn)測量均為負(fù)值，與所有理論計(jì)算的正值相矛盾。Sr光鐘E2-M1極化率之差的符號問題依然懸而未決，迫切需要新的理論解釋。近日，唐麗艷研究團(tuán)隊(duì)首次發(fā)展顯含負(fù)能態(tài)的DFCP+RCI的聯(lián)合方法（見圖1），研究負(fù)能態(tài)對Sr光鐘多極極化率的影響，發(fā)現(xiàn)負(fù)能態(tài)對M1極化率起重要的主導(dǎo)作用，得到的E2-M1極化率之差與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合，徹底解決了Sr光鐘理論與實(shí)驗(yàn)的符號不一致問題（見圖2）。進(jìn)一步將目前的理論方法推廣應(yīng)用到現(xiàn)有其它光鐘體系的研究當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)負(fù)能態(tài)對M1極化率起主導(dǎo)貢獻(xiàn)的這一現(xiàn)象是普適的（見圖3），啟發(fā)人們深入探究負(fù)能態(tài)背后蘊(yùn)含的新物理，為未來利用高精度的光鐘探索超越標(biāo)準(zhǔn)模型之外的新物理提供新契機(jī)。

Sr光鐘魔幻波長處動(dòng)力學(xué)E2-M1極化率之差的比較。綠色的代表實(shí)驗(yàn)測量值，水紅色的代表以前的理論結(jié)果，藍(lán)色的代表包含負(fù)能態(tài)之后的理論結(jié)果

負(fù)能態(tài)對其它光鐘體系M1極化率之差的貢獻(xiàn)。水紅色的代表僅含正能態(tài)的結(jié)果，藍(lán)色的代表包含負(fù)能態(tài)的理論結(jié)果

 

Synopsis截圖

 

　　相關(guān)研究成果以Letter形式發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《Physical Review A》上，博士吳芳菲為該研究的第一作者，研究員唐麗艷是該文章的通訊作者。美國物理學(xué)會(huì)網(wǎng)站Physics以“Solution for Atomic Clock Puzzle”為題撰寫Synopsis對負(fù)能態(tài)的理論工作進(jìn)行了全文亮點(diǎn)報(bào)道（見圖4）。

　　該研究得到了國家自然科學(xué)基金和湖北省人才基金等相關(guān)項(xiàng)目的資助。

　　

　　美國物理學(xué)會(huì)網(wǎng)站報(bào)道鏈接：Physics - Solution for Atomic Clock Puzzle (aps.org)

　　論文鏈接:http://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.108.L051101