近日，精密測量院原子分子外場理論組和冷分子離子組合作,在釷-229離子精密測量研究方面取得重要進(jìn)展，提出了通過釷-229三價離子（²²⁹Th³⁺）核外電子躍遷和核躍遷的精密光譜測量，檢驗精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)隨時間變化的研究方案。相關(guān)研究成果在國際物理學(xué)期刊《Physical Review A》上發(fā)表。

光鐘作為精密測量實驗平臺，被應(yīng)用于時間-秒定義、基礎(chǔ)物理檢驗等諸多前沿研究領(lǐng)域。探尋新的光鐘體系具有重要意義，近年來多種候選光鐘體系被提出，其中，釷-229原子核由于其存在能量極低（僅約為8.36 eV）且壽命很長的核激發(fā)態(tài)，是極具潛力的核光鐘候選者之一。同時，Th-229核躍遷的精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)敏感因子K在10⁴量級，比現(xiàn)有最敏感的原子躍遷高3-4個量級，是檢驗精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)隨時間變化和探測超輕暗物質(zhì)與光子的耦合強(qiáng)度的優(yōu)選實驗對象。

精密測量院副研究員李承斌與研究員童昕開展合作，采用相對論原子結(jié)構(gòu)理論方法研究了²²⁹Th³⁺核外電子結(jié)構(gòu)與外場響應(yīng)性質(zhì)。研究指出²²⁹Th³⁺核外電子5f_5/2-5f_7/2躍遷具有較高品質(zhì)因子，運動與外場引起的頻率不確定度可均控制在10^-18水平。因此，可在²²⁹Th³⁺離子中同時測量核外電子鐘躍遷和原子核鐘躍遷的頻率，并通過比對極大程度上消除系統(tǒng)誤差，實現(xiàn)在10^-21/年靈敏度水平上檢驗精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)隨時間變化。

理論方案示意圖

該研究成果以“²²⁹Th³⁺ as an ionic optical clock for ?ne-structure-constant variations”為題在學(xué)術(shù)期刊《Physical Review A》上發(fā)表，部分理論計算采用的是由原子分子外場理論組自主研發(fā)編寫的DFCP程序包，所有理論計算均在精密測量院理論計算集群上完成。博士研究生余師成和甘文婷為共同第一作者，副研究員華夏為共同作者，副研究員李承斌與研究員童昕為共同通訊作者。

研究工作得到了國家自然科學(xué)基金以及湖北省自然科學(xué)基金的資助。

文章鏈接：https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.109.063115