高阶超精细相互作用及其对原子亚稳态性质的影响

Hyperfine interaction is a bridge between nuclear physics and atomic physics. It is allowed to extract nuclear electromagnetic multipole moments from measured hyperfine structures in combination with high-precision atomic structure calculations. Nuclear multipole moments, especially for neutron-deficient or neutron-rich nuclei, are important physical quantities, which can help us to deeply understand specific properties of the strong nucleon-nucleon interaction, test nuclear models and improve nuclear structure theories. In the framework of the multiconfiguration Dirac-Hartree-Fock method, we plan to develop a code for calculating the magnetic octupole hyperfine interaction; with the assistance of perturbation theory, we will investigate the effects of electron correlations on magnetic dipole, electric quadrupole and magnetic octupole hyperfine structures in detail. In particular, we hope to capture the correlations related to inner shell electrons in complex atomic systems in order to evaluate uncertainties in the calculation. Furthermore, including the higher-order hyperfine interaction corrections, we will derive the formulas so that the magnetic octupole hyperfine interaction can be extracted from measurements. In addition, the influence of hyperfine interactions on the level lifetimes, Landé-g factor and atomic electric quadrupole for metastable states will be studied for exploring potential applications in the search of next-generation atomic clocks and the diagnostics of plasma.

原子超精细相互作用是原子核物理和原子物理之间的一座桥梁。通过超精细结构的实验测量与原子结构精密计算结合，人们可以提取原子核，特别是亏中子和丰中子奇异核素的电磁多极矩，这将有助于人们更深入理解原子核内强相互作用的性质，发展核模型理论，改进原子核结构计算方法。本项目中，我们将在多组态Dirac-Hartree-Fock理论框架下发展计算磁八极超精细相互作用的程序；结合微扰理论，细致研究电子关联效应对磁偶极、电四极和磁八极超精细结构的影响，重点分析复杂原子中与内壳层电子相关的关联效应对超精细相互作用的影响规律，发展原子结构高精密计算方法；进一步，我们将推导包括超精细相互作用高阶微扰修正的超精细结构计算公式，与精密测量实验结合，提取磁八极超精细结构。另外，我们还将研究超精细相互作用对原子亚稳态能级寿命、朗德g因子和原子电四极矩的影响规律，探索其在寻找下一代光钟和等离子体诊断中的应用。

从原子超精细结构中提取原子核电磁多级矩是研究滴线附近不稳定核素核性质不可或缺的手段，但该方法依赖于精准的原子参数。原子核磁八级矩是重要的原子核性质之一，对原子核磁八级矩的系统研究有助于理解原子核内多体相互作用。为了从超精细结构中提取原子核磁八级等高阶矩，我们在多组态Dirac-Hartree-Fock理论框架下，研发了计算磁八级和电十六级超精细结构常数的程序，并应用该程序研究了173Yb和209Bi等核素的磁八级矩。通过这些研究，我们澄清了173Yb原子核磁八级矩之谜；证实了核子间多体效应对209Bi原子核性质的重要性。.与原子核相关的原子性质对电子关联效应敏感，如何设计计算模型保证计算精度是本项目需要解决的另一个主要问题。通过研究Sr，Yb+，Yb，W7+，W8+，Hg+，Bi等复杂原子体系中电子关联效应对原子性质的影响，我们将微扰理论与多组态Dirac-Hartree-Fock和组态相互作用方法相结合，形成了一套高效、高精度计算方法，对轻和重元素原子超精细结构常数的计算精度分别达到了1%和10%左右的国际领先水平。进一步，我们利用该方法为原子核物理、等离子体物理等相关研究提供了一批高精密原子参数。.高阶超精细相互作用不仅包括磁八级等超精细相互作用的一阶微扰贡献，还有磁偶极、电四级超级细相互作用的二阶微扰修正。而后者会破坏原子体系中电子态的空间旋转对称性，使得具有不同角动量的电子态发生混合而诱发新的物理效应。超精细相互作用诱发的物理效应虽然小，但在光钟等精密测量中不能被忽略。我们在多组态Dirac-Hartree-Fock理论框架下，首次推导了超精细相互诱发的朗德g因子和电四级矩的表达式，并以Al+和Sr原子为例理论计算了其亚稳态能级超精细诱发的郎德g因子，为Al+离子和Sr原子光钟等精密测量中评估误差提供了必要的理论参数。