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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)與合肥國家實(shí)驗室盧征天教授、夏添研究員團隊在實(shí)驗上成功觀(guān)測到原子能級在電場(chǎng)中的布賴(lài)特-拉比位移現象。6月27日，研究成果發(fā)表于《美國國家科學(xué)院院刊》。
實(shí)驗裝置示意圖，右下角實(shí)驗數據展示原子能級隨電場(chǎng)強度平方的非線(xiàn)性變化關(guān)系(中國科大供圖)
在原子物理學(xué)中，量子態(tài)能級通常在磁場(chǎng)中會(huì )發(fā)生與磁場(chǎng)強度成正比的塞曼位移。1931年，理論物理學(xué)家布賴(lài)特和拉比描述了一種非線(xiàn)性的能級位移現象，后被命名為布賴(lài)特-拉比效應。這是一種由原子的超精細結構與磁場(chǎng)共同作用產(chǎn)生的量子力學(xué)基本效應，已在眾多實(shí)驗中被觀(guān)測到，并在量子精密調控領(lǐng)域得到廣泛應用。
此外，原子能級在電場(chǎng)作用下通常會(huì )發(fā)生與電場(chǎng)強度平方成正比的位移，即斯塔克位移。理論預測表明，具有超精細結構的原子在電場(chǎng)中，其能級變化會(huì )偏離這一簡(jiǎn)單的平方關(guān)系，這種現象被稱(chēng)為電場(chǎng)布賴(lài)特-拉比效應，與磁場(chǎng)中的布賴(lài)特-拉比效應具有相似性。盡管這一基本量子力學(xué)效應早在1968年已被理論預言，但其實(shí)驗觀(guān)測一直存在技術(shù)挑戰。
在此次研究中，研究團隊首先將鐿-171原子載入光偶極阱，利用激光囚禁的高選擇性排除了可能帶來(lái)干擾的其他同位素;隨后，利用光偶極阱精確操控原子，將其置于間隔僅一毫米的一對萬(wàn)伏高壓電極之間;同時(shí)，通過(guò)激光冷卻技術(shù)將原子溫度降至40微開(kāi)爾文，有效消除了多普勒效應對譜線(xiàn)的加寬影響。通過(guò)這一系列實(shí)驗步驟，研究團隊成功實(shí)現了鐿-171原子在強電場(chǎng)環(huán)境下的高精度光譜測量。
實(shí)驗結果顯示，原子能級的變化顯著(zhù)偏離了常規的斯塔克效應。研究團隊觀(guān)測到能級位移中與電場(chǎng)四次方、六次方成正比的高階貢獻，直接驗證了電場(chǎng)布賴(lài)特-拉比效應。
