精密原子结构计算及外场效应理论研究

Precision calculation of the atomic structure and the precise description of the external field response of the atoms are not only the important parts in the precision measurement physics field, but also the theoretical basis for the analysis of the systematic error budget of the atomic clocks and the test of the theory of quantum electrodynamics (QED) and the fundamental symmetries. In this project, we will perform the calculations on the high order relativistic and QED corrections of the low excited energy levels in helium atom and the light helium-like ions. It is expected that the calculated energy levels could achieve 10 - 12 significant digits and the fine structure split could achieve 8 - 9 significant digits. The laser field response theory for the low excited states in helium atom will be developed in which the relativistic and QED effects will be included. Using this theory, the magic-zero wavelengths (also called tune-out wavelengths) and the magic wavelengths will be precisely determined. Combining the results of the ongoing experiment on helium atom in Australian National University, we could conduct the high-precision test on the theory of QED. We will also develop the high-precision relativistic atomic structure theory for the multi-electron atoms, calculate their response on the external fields, explore the precision-measurement experimental schemes on the candidates of the atomic clocks and the atomic parity nonconservation research. The research of this project will be great importance for the test of the three-body bound QED theory , the experimental determination of the fine structure constant, the measurement of the nuclear charge radii, and the precision-measurement experiment design based on the optical clocks.

原子结构的精密计算与原子对外场响应性质的精细刻画是精密测量物理的重要组成部分，也是量子电动力学(QED)和基本对称性的高精度检验以及原子钟系统误差分析的理论基础。本项目拟计算氦原子与类氦轻离子低激发能级的高阶相对论和QED修正，目标精度达到10到12位有效数字，精细结构劈裂目标精度达到8-9位有效数字；发展包含相对论与QED效应的氦原子低激发态的光场响应理论，高精度确定氦原子幻零波长和幻波长，与澳大利亚国立大学（ANU）同步开展的实验比较，提供QED理论的高精度非能谱检验；发展高精度相对论多电子原子结构理论，计算其对外场的响应性质，探索与原子钟和基本对称性检验体系相关的跃迁振子强度的高精度测量方案，为原子钟系统误差分析及新型光钟的设计提供重要理论数据。该项目对束缚三体QED理论检验、精细结构常数的光谱确定、原子核电荷半径测定以及基于光钟平台的精密测量实验设计有重要的意义。

低Z少电子原子结构理论与计算在基本理论检验、基本物理常数确定、原子核性质的获取等方面有不可或缺的作用，高Z多电子原子/离子体系是原子钟和基本对称性检验首选体系，发展高精度的原子结构理论，研究其对外场的响应性质是精密测量物理的重要研究内容。本项目在氦原子与Li+能级与精细结构精密计算、氦原子极化率高精度计算以及相对论原子结构理论与外场效应开展了系统深入的研究，取得的主要创新成果如下：.（1）实现了氦原子与Li+离子低能态二阶相对论（含反冲）与QED修正精密计算，通过与华沙大学Pachucki团队结果进行了逐项比对，独立验证了氦原子低能态计算结果的正确性，首次得到了类氦Li+离子低能态二阶相对论反冲修正的结果。.（2）发展了基于B样条基组的非相对论和相对论组态相互作用方法，通过并行算法实现了大规模组态计算，获得了高精度的能级与跃迁性质。在此基础上确定了氦原子1557nm双禁戒跃迁下的系列幻波长，部分预言已被高精度实验证实；系统计算了氦原子亚稳态（23^S）413 nm幻零波长的有限核质量、相对论以及QED修正，得到了高精度的理论预言值：413.09015(4)nm, 较2015年实验测量值413.0938(9stat)(20sys)精度好50倍，推动了实验工作的进一步开展并促成了国际合作。.（3）发展了具有完全知识产权的基于B样条基组的相对论耦合簇理论方法，计算了Fr原子的离化能、跃迁约化矩阵元、激发态态寿命、极化率等原子性质，证实了方法的可靠性。在单价电子近似下，计算了PNC和EDM研究的重要体系Tl原子的能谱及外场响应性质，给出了系列跃迁对应的幻波长。采用多种相对论多体理论方法，系统计算了Ca+的场移常数、磁偶极和电四极超精细结构常数、朗德g因子和电四极矩5个物理量，给出了不同的电子关联模型对上述5个物理量的计算结果的影响。