碱金属原子超精细态的极化性质及应用

The polarizability, a fundamental property of the atom, can be considered as a measurement of the response of the charge cloud to an external electric field. It is very important in testing the fundamental framework for quantum physics and analyzing the uncertainty for atomic clocks. In this project,we will calculate the dynamic polarizabilies of the ground states for alkali metal atoms using relativistic all-order method and relativistic atomic structure model method at first, identify all Magic-zero wavelengths(or Tune-out wavelengths) in optically accessible transitions. Then, the contributions from spin-core-polarization effect and coulomb correlation effect to hyperfine structure constants are studied and discussed in the framework of relativistic all-order theory. A simple theory model based on relativistic atomic atomic structure model potential method is construed, in which hyperfine interaction is treated as effective interaction potential included in the Dirac Hamitonian. This theory model is applied to the calculations of hyperfine states polarizabilities for alkali metal atoms, then hyperfine stark shifts and tune-out wavelength of hyperfine states can be obtained. The radio of line strength can be identified by combing with the experimental measurement of Magic-zero wavelengths.

极化率是原子的基本属性，描述原子对外加电场响应程度的物理量，在基本物理定律的检验、原子钟系统不确定度的分析等方面起着重要的作用。本项目基于申请人博士期间发展的相对论原子全阶微扰理论和相对论原子结构模型势方法，开展碱金属原子体系动力学极化率的研究，精确定出原子基态在激光可实现波段范围内的幻零波长。通过系统分析超精细相互作用中的自旋实极化效应和库伦关联效应，在相对论原子结构模型势方法基础上构建一套可直接考虑超精细相互作用的有效理论模型。利用此有效模型计算碱金属原子超精细态的极化率，给出原子基态超精细斯塔克效应和超精细态的幻零波长。结合实验平台所测幻零波长，精确定出线强比和约化矩阵元等重要的物理参量。

极化率是一个描述外电场下电子云响应程度的物理量。精确计算原子体系的极化率在多个物理领域都是非常重要的。静态极化率可用于估算原子钟钟跃迁态的黑体辐射频移；动力学极化率可用来确定跃迁态的幻波长和单个原子态的幻零波长。这些幻波长和幻零波长在激光囚禁和激光冷却相关实验领域都是非常重要的，比如基于光晶格的冷原子、量子多体和量子信息问题。另一方，实验精确测量这两类波长还可以定跃迁矩阵元等重要的原子结构参数。精确计算多电子原子体系的极化率需要精确的波函数和能量，因此发展一套可精确计算出多电子原子尤其是重原子体系波函数的理论方法是首要问题。我们基于B样条基组，发展了一套适用原子结构性质计算的相对论全阶微扰理论方法和相对论有效势模型方法，并独立自主地开发了相应的程序包。经过实例测试证实，我们程序的计算精度和性能跟国际上著名的几个小组的方法在同等水平。应用这套理论方法和程序包，我们系统地计算了碱金属原子钫和类碱金属原子体系铊多个态的静态和动力学电偶极极化率，同时通过动力学极化率定出了多个跃迁态的幻波长和幻零波长。 这些理论结果为将来基于钫和铊原子体系进行的宇称反演不守恒和电子固有电极矩搜索的相关实验提供了非常重要的依据。我们精确的理论结果为发展其他理论方法提供了很好的参考标准。此外，我们应用这套理论方法也计算了碱金属铯原子体系超精细结构常数A, 并研究了磁偶极超精细相互作用中的电子关联趋势。这为将来进一步研究短程性质提供了一个很好的参考。