精密仪器揭秘原子结构的奥秘!

【研究背景】

原子光谱学是研究原子能级之间转变及其相互作用的重要领域，因其在基础物理研究、原子钟、量子计算等领域的应用而受到广泛关注。与传统的光谱技术相比，精密原子光谱技术具有更高的灵敏度和准确性，能够揭示更细微的物理现象。然而，精确的原子过渡频率的预测常常依赖于对核性质的了解，而这些性质在理论模型中往往缺乏足够的准确性，因此需要通过独立的高灵敏度实验测量来确定。这为研究人员带来了巨大挑战。

近日，来自马克斯·普朗克核物理研究所Stefan Dickopf的课题组在研究氢同位素和氦同位素的超精密测量方面取得了新进展。该团队通过高精度的Penning阱测量技术，成功获取了氦-3离子的Zeeman效应和超精细分裂（HFS）数据，从而直接测量了其Zemach半径和核磁矩。这一成就不仅为氢同位素的研究提供了重要的参考，还为其他HFS间隔的精确预测奠定了基础。

利用这些新测量结果，课题组显著提高了对核磁矩的了解，为绝对磁测量提供了理论支持。同时，通过对不同电荷态的氦同位素（如氢样和锂样的氦-9离子）进行比较，研究人员能够消除与核结构相关的影响，进而在精确度达到十亿分之一（ppb）级别的同时测试量子电动力学（QED）理论。这一研究为多电子系统的电磁屏蔽参数计算提供了首个精密验证，展示了氦-9作为研究核结构贡献的理想参考材料的潜力。

【仪器解读】

本文通过高精度量子电动力学（QED）原理和精细结构的理论依据，具体来说，利用了氢样系统的简单电子结构，首次研发了氢样铍离子的高精度光谱仪器，从而表征发现了铍离子中的超精细分裂（HFS）和齐曼分裂现象，最终揭示了其核磁矩和泽马赫半径的精确值。

针对铍离子中的超精细结构现象，通过采用精密的潘宁阱技术进行光谱分析，得到了超精细分裂间隔以及电子自旋转移的相关频率。这一过程不仅允许我们独立测定铍离子的质量，还通过三个核自旋跃迁提供了高度精确的测量结果。进而挖掘了核结构在超精细相互作用中的重要作用，特别是对于低核电荷的系统，其所具有的简单电子结构使得相关计算能够达到更高的准确度。

在此基础上，通过高精度的光谱测量手段及对核结构贡献的研究，本文着重研究了铍离子和其他氢样系统在不同电荷状态下的超精细分裂和齐曼分裂之间的关系。通过与重元素的超精细分裂进行比较，验证了量子电动力学（QED）理论，并对多电子体系的抗磁屏蔽参数进行了前所未有的精确测试。这不仅为核磁矩的计算提供了新的标准，也为相关的精密物理实验提供了更加可靠的参考。

潘宁阱设置示意图

参考文献Dickopf, S., Sikora, B., Kaiser, A. et al. Precision spectroscopy on 9Be overcomes limitations from nuclear structure. Nature 632, 757–761 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07795-1