近日，中国科学技术大学、合肥微尺度物质科学国家实验室激光精密测量与痕量探测研究组（atta.ustc.edu.cn）将氦原子(1s2p) 2³P_J能级的精细结构分裂测定至130Hz精度，2月10日在线发表在物理评论快报Phys. Rev. Lett. 118: 063001 (2017)。该论文第一作者为博士研究生郑昕，通讯作者为特任副研究员孙羽博士和胡水明教授。

　　氦原子是最基本的多电子体系，基于量子电动力学（QED）理论的全量子计算方法可以仅仅从基本物理常数出发，得到其高精度的能级结构。⁴He原子2³P_J能级的精细结构，对QED中最基本的物理常数---精细结构常数α（≈1/137）最为敏感，其实验测量和理论结果的对比，对于检验QED理论和α常数十分理想。几十年来理论学家不断推进其计算精度，这也是目前唯一实现了m_eα⁷量级精度计算的多电子体系；实验学家们也尝试了各种办法以提高测量精度，然而直至目前，这些结果之间还存在明显偏离（图1）。

　　该课题组在中国科学技术大学搭建了一套氦原子束精密光谱测量装置（图2）。利用所产生的亚稳态氦原子束流，结合激光冷却原子技术大幅提高其亮度，并通过激光制备单量子态氦原子（2³S₁），经单频激光激发其2³S₁-2³P_J跃迁，最后基于单态选择的原子探测，获得高精度的跃迁频率。



　　该实验测得⁴He原子2³P₀-2³P₂和2³P₁-2³P₂分裂分别为31,908,130.98 ± 0.13 kHz和2,291,177.56 ± 0.19 kHz，是迄今最精确的测量结果。项目合作者、国际少体原子分子精密谱理论方面最著名的专家、波兰华沙大学的K. Pachucki教授认为其结果对于进一步的理论工作具有十分重要的指导意义，将把原子体系中的α常数测定提高至2×10^-9精度。PRL审稿人给出了很高的评价，认为该工作“推进了精密测量领域”、“展示了激光光谱测量精度所能达到的极限”。

　　该工作得到了中科院精密测量先导计划、国家自然科学基金委、量子信息和量子物理协同创新中心、能源化学协同创新中心的持续支持。