极紫外波段的少电子原子精密光谱测量

基于少电子原子体系的精密光谱测量为“质子半径之谜”、量子电动力学高精度检验等重大科学问题的解决带来曙光,因此备受关注.然而,少电子体系许多重要的跃迁谱线位于真空/极紫外波段,缺少合适的窄线宽光源是阻碍其测量精度进一步提升的主要原因之一.近年来,基于稀有气体高次谐波过程产生的极紫外窄线宽相干光源为精密测量这些跃迁谱线带来了新的机遇.最新研究表明,极紫外光梳的最短波长可至12 nm,最高功率可至mW量级,线宽可至0.3 MHz;而极紫外波段的拉姆齐光梳亦可以实现kHz量级的光谱精度,且其工作波长有潜力覆盖整个极紫外波段.本文重点介绍少电子原子极紫外波段精密光谱测量相关技术方法与研究进展.首先简要介绍基于少电子原子体系精密光谱测量的科学意义;随后介绍极紫外波段少电子原子体系精密光谱测量方法,即基于极紫外光梳的直接频率梳光谱方法和极紫外波段的拉姆齐频率梳光谱方法;然后介绍利用这些方法开展少电子原子体系精密光谱实验测量以及相关精密谱理论计算方面的研究进展,以及这些方法在其他相关研究中面临的重要机遇;最后给出未来工作展望.

少电子原子体系精密谱理论和计算方法

得益于现代激光精密测量技术,某些少电子原子体系(如氢、氦、锂、铍等)的光谱测量具有非常高的精度.高精度实验值与高精度理论值的对比,为高精度地检验基本物理理论、高精度地测定出基本物理常数以及原子核电荷半径等物理参数提供了重要渠道.要把原子体系的光谱计算到当前实验值的精度并非易事,需要把电子关联效应、相对论效应和量子电动力学(QED)效应计算到足够高的精度.最近几十年来,得益于现代计算机技术的发展和此领域科研人员的不懈努力,少电子原子体系的精密计算取得了重要进展.本文介绍了高精度计算少电子原子体系能级的理论方法和计算技术,包括等效哈密顿量的推导、薛定谔方程的求解、相对论和QED效应的计算,以及原子核的有限质量效应和电荷分布半径效应;对近二三十年取得的重要进展进行了评述并对未来的发展进行了展望.