近日，精密測量院史庭云、唐麗艷、吳芳菲以及倪維斗等研究人員在光鐘體系多極極化率的理論研究方面取得了重要進展。研究團隊成功突破了傳統(tǒng)理論方法的限制，首次揭示了以往理論計算中缺失的負能態(tài)的重要性。這一發(fā)現(xiàn)闡明了Sr光鐘多極極化率之差理論與實驗強烈不相容的根本原因，從而消除了限制Sr光鐘精度進一步提高的主要障礙。相關研究成果以Letter形式發(fā)表在國際學術期刊《Physical Review A》上，并被遴選為“Editors’ Suggestion”論文，同時被Physics遴選為亮點工作進行同步報道。

　　光鐘是人類歷史上測量精度最高的原子鐘，隨著光鐘精度的不斷提高，光場引起的非線性效應對光鐘精度的影響需要進行定量研究。對于Sr原子光晶格鐘，2018年理論計算和實驗測量均表明：與電四極（E2）極化率和磁偶極（M1）極化率密切相關的多極Stark頻移在1E-19精度時對Sr光鐘構成了限制。然而，理論與實驗得到的Sr光鐘多極極化率E2-M1之差存在符號相反的問題，這阻礙了Sr光鐘精度的進一步提高。2019年，精密測量院原子分子外場理論組利用相對論芯極化勢和組態(tài)相互作用（DFCP+RCI）的聯(lián)合方法得到了正的E2-M1多極極化率之差，獨立驗證了Safronova等人的理論計算，但與日本Katori小組的實驗測量值符號相反。因此，需要新的實驗測量來解決Sr光鐘理論與實驗之間的符號差異。

顯含負能態(tài)的DFCP+RCI理論計算示意圖

 

　　2023年初，美國JILA的葉軍實驗小組和德國PTB的Lisdat實驗小組幾乎同時報道了各自的測量結果，實驗測量均為負值，與所有理論計算的正值相矛盾。Sr光鐘E2-M1極化率之差的符號問題依然懸而未決，迫切需要新的理論解釋。近日，唐麗艷研究團隊首次發(fā)展顯含負能態(tài)的DFCP+RCI的聯(lián)合方法（見圖1），研究負能態(tài)對Sr光鐘多極極化率的影響，發(fā)現(xiàn)負能態(tài)對M1極化率起重要的主導作用，得到的E2-M1極化率之差與實驗結果相符合，徹底解決了Sr光鐘理論與實驗的符號不一致問題（見圖2）。進一步將目前的理論方法推廣應用到現(xiàn)有其它光鐘體系的研究當中，發(fā)現(xiàn)負能態(tài)對M1極化率起主導貢獻的這一現(xiàn)象是普適的（見圖3），啟發(fā)人們深入探究負能態(tài)背后蘊含的新物理，為未來利用高精度的光鐘探索超越標準模型之外的新物理提供新契機。

Sr光鐘魔幻波長處動力學E2-M1極化率之差的比較。綠色的代表實驗測量值，水紅色的代表以前的理論結果，藍色的代表包含負能態(tài)之后的理論結果

負能態(tài)對其它光鐘體系M1極化率之差的貢獻。水紅色的代表僅含正能態(tài)的結果，藍色的代表包含負能態(tài)的理論結果

 

Synopsis截圖

 

　　相關研究成果以Letter形式發(fā)表在國際學術期刊《Physical Review A》上，博士吳芳菲為該研究的第一作者，研究員唐麗艷是該文章的通訊作者。美國物理學會網(wǎng)站Physics以“Solution for Atomic Clock Puzzle”為題撰寫Synopsis對負能態(tài)的理論工作進行了全文亮點報道（見圖4）。

　　該研究得到了國家自然科學基金和湖北省人才基金等相關項目的資助。

　　

　　美國物理學會網(wǎng)站報道鏈接：Physics - Solution for Atomic Clock Puzzle (aps.org)

　　論文鏈接:http://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.108.L051101