氦原子和类氦离子体系动力学极化率的高精度计算与应用

Helium and helium-like ions are three-body quantum systems with two electrons. The accurate calculations of their physical properties are important in developing the theory of many-electron atomic structures, determining the fundamental constants, and testing the fundamental framework for quantum physics. Dynamic polarizabilities are very useful in analysing the external field effects for the precision spectroscopy experiments of helium-like ions. In this project, we will combine the Hylleraas variational method with the relativistic configuration interaction method to study the dynamical polarizabilities of the helium-like ions covering 2≤Z≤20, with particular emphasis on determining tune-out wavelengths for helium and magic-wavelengths for optically accessible transitions in helium and helium-like ions. As part of this research, the impact of finite nuclear size, finite nuclear mass polarization and the hyperfine structure effects on these properties will be also studied. Analysing the contribution of different intermediate transitions to explore the tune-out wavelengths and magic-wavelengths, which can be measured in experiment. The end results in this project will be a standard to test other theoretical methods, also provide reliable theoretical values for determining the Ac Stark shifts, and for measurements of the tune-out wavelengths and magic-wavelengths, whic will directly test the impact of QED on atomic properties other than the energy.

氦原子和类氦离子是含两电子的量子三体体系，其原子结构属性的精确计算在 发展多电子原子结构理论、确定基本物理常数、检验基本物理定律等方面起着重要的作用。 动力学极化率作为原子的基本物理属性，在分析类氦离子精密光谱实验的外场效应中有着重 要的应用。本项目拟利用Hylleraas变分法结合相对论组态相互作法开展核电荷2≤Z≤20的类氦体系动力学极化率的研究，高精度定出体系的幻零波长和幻波长。进一步考虑有限核尺寸效应、核质量极化效应以及超精细结构效应对体系物理性质的影响。通过分析不同中间态在幻零波长和幻波长下对动力学极化率的贡献，探寻可实验测量的幻零波长和幻波长。本项目中高精度的动力学极化率为检验其它理论方法下结果的正确性提供基准；为类氦离子精细结构精密测量实验中Ac Stark频移的分析提供参考依据；同时也为实验测量类氦体系幻零波长和幻波长提供可靠的理论支持。

氦原子和类氦离子是最简单的量子三体体系，是少体精密谱理论与实验的重要研究对象。极化率作为原子的基本物理属性，是分析体系外电场效应的关键理论数据。在本项目的资助下，我们发展了两电子原子结构并行化计算程序包；实现了氦原子和锂离子动力学极化率的高精度计算；评估了有限核尺寸效应、核质量极化效应、超精细效应对体系动力学极化率的影响；高精度预言了氦原子和锂离子系列幻零波长和魔幻波长。主要成果包括：（1）成功发展了两套高精度计算类氦体系物理属性的相对论和非相对论组态相互作用方法，通过并行化计算的设计实现了大规模全组态空间的计算。此方法的优势在于仅通过一次对角化计算即可实现体系低、高能态完备性能谱信息的高精度获取，还可同时获得高精度容许与禁戒跃迁矩阵元，这为利用态求和方法高精度计算体系的动力学极化率提供了保障。（2）系统计算了氦原子和锂离子低能三重态的动力学偶极极化率，高精度定出了体系的幻零波长和魔幻波长，首次预言利用氦原子2^3S-3^3P跃迁下1066纳米的魔幻波长来确定2^3S-3^3P与3^3P-6^3S跃迁矩阵元的比值，这为“涉及高里德堡态的跃迁矩阵元的精确确定”提供了一种新颖的途径。（3）首次提出利用氦原子亚稳态413纳米幻零波长来检验原子QED理论的新方案，并积极推动澳大利亚国立大学对413纳米幻零波长的首次实验测量。严格计算了有限核质量效应、相对论核反冲修正以及QED效应对极化率的影响，实现了氦原子幻零波长最高精度的理论预言值：413.090 08(9)纳米，理论预言精度达到了0.1ppm，是实验测量精度的50倍，这为国际合作小组开展幻零波长更高精度的实验测量起到了积极的推动和引领作用。（4）高精度计算了氦原子2^3S_1-2^1S_0跃迁下的系列魔幻波长，对氦原子精密光谱测量的开展有重要的理论指导意义。其中，He-4体系319.815 3(6) nm的魔幻波长已被荷兰阿姆斯特丹大学Wim Vassen小组的实验测量所证实。He-3体系319.830 2(7) 纳米的魔幻波长将为Wim Vassen小组下一步开展魔幻光阱囚禁3He实验提供可靠的理论支持。