氦原子精细结构的高精密光谱学

对于氦原子的理论和实验研究，为我们对这个最基本的多体原子不断提供着更为深入的理解。在检验原子中的相对论效应和量子电动力学方面，氦原子也一直是比较理想的对象。利用高精密光谱方法，测量其精细结构能级分裂可以用来测定精细结构常数α，其同位素位移可用以测定原子核结构参数等。目前对于其部分三重态能级精细结构分裂的已有实验测量和理论计算结果间存在明显偏离，亟需新的高精密测量进行检验。本项目计划通过对该能级进行kHz水平的精密光谱测量，以在此基础上实现多体原子体系中的α常数测量、以及对量子电动力学效应和其自洽性的检验。

氢、氦等最简单的原子分子的光谱，在量子力学和化学键理论的发展中起到了极其重要的作用。本项目工作中，发展了同时具有高灵敏度和高光谱分辨（频率精确度可达kHz或更好）的激光锁频的光腔衰荡光谱方法，并提出可以利用该手段将玻尔兹曼常数kB测量到ppm精度；对H2、H2O等分子在近红外的跃迁进行了高精度的光谱测定，获得了氢分子迄今最精确的红外跃迁频率，首次超越了理论计算精度；建立了利用低温预冷、射频放电方法产生亚稳态氦原子束流的装置，利用激光横向冷却的方法将亚稳态原子束流增强了上百倍，并实现了单原子水平的原子囚禁和探测，制备了处于单一量子态的He原子束，最终对4He原子2S-2P跃迁进行了精密光谱测量，实验不确定度小于1kHz，达到了项目预期。