氦原子2~3S—2~3P精密光谱研究

氦原子是最基本的多电子原子,其精密谱是十分理想的检验多电子量子电动力学计算的平台,同时也是利用原子能级结构测定精细结构常数α的理想体系,还能获得原子核结构信息.本文结合我们团队的工作,综述基于氦原子的少体原子精密光谱研究.其中,主要包括氦原子2~3P_J精细结构分裂,以及2~3S—2~3P跃迁频率测定等研究,并对相关工作的前景进行了展望.     

稳定的高亮度低速亚稳态氦原子束流

稳定的高强度原子束流源是很多精密测量实验的关键.亚稳态(2~3S)氦原子的精密光谱测量在检验量子电动力学、测定精细结构常数研究中受到重要关注.本文利用激光冷却方法增强束流强度、通过塞曼减速器降低原子的纵向速度,并利用反馈控制稳定束流强度.实验测得,所产生的亚稳态氦原子连续束流在(100±3.6)m/s速度下,强度达5.8×10~(12)atoms/(s·sr),相对稳定度为0.021%.利用该原子束,示范了在仅0.1%的饱和光强条件下进行4 He原子2~3S—2~3 P跃迁的光谱探测,此时由探测光功率带来的频移低于1 kHz.     

利用激光冷却原子束测量氦原子精密光谱

⁴He原子2³S₁→2³P_0,1,2跃迁的精细结构分裂,目前在理论和实验上都能够达到10^-8水平的精度,并可被应用于测定精细结构常数α, 和对量子电动力学进行检验.该方面实验研究的关键, 是需要提高测量信噪比,并消除各种可能的系统偏差, 将这一精细结构分裂测量到亚kHz水平.在设计的这套实验方案中, 首次结合激光冷却原子技术,通过激光横向冷却来提高亚稳态氦原子束的束流强度,并对三态亚稳态氦原子进行偏折, 将其从原子束中分离,从而大幅降低测量背景,并利用频率锁定激光器的边带扫描的方式来进行光谱测量,以使得扫描测量中保持足够的频率精度. 在目前基本搭建成的实验装置上,实验方法的可行性已经获得验证,分析表明有望实现亚千赫兹水平的测量准确度.     

氦原子Rydberg态10G—10M磁精细结构的计算

通过自洽迭代求解Hartree方程，得到了氦原子1snl组态下的严格数值解波函数，以此构造LS耦合谱项(支项)波函数作为基矢.采用线性变分法，同时考虑交换作用和Breit-Bethe近似下的磁相互作用项，计算了氦Rydberg态10G—10M系列能级的磁精细结构，计算结果很好地符合已有的实验值.对计算方法的进一步改进提出了设想和讨论. 关键词： 氦原子 Rydberg态 磁精细结构 自洽迭代     

可搬运铷喷泉原子钟量子化轴磁场的设计与优化

喷泉钟量子化轴磁场的空间均匀性和时间稳定性是制约原子钟输出频率稳定度和不确定度的重要因素.从外磁场屏蔽、磁场线圈设计、线圈电流源稳定性等方面考虑,构建并优化设计了一套可搬运铷喷泉原子钟量子化轴磁场系统.为了消除环境磁场对量子化轴磁场的影响,使用5层坡莫合金磁屏蔽进行外磁场的屏蔽;利用4组对称的补偿线圈,通过计算给予合适的电流,获得喷泉钟内部30 cm原子自由飞行尺度内磁场波动小于1 nT;通过改善C场供电电流方式,从而优化量子化轴磁场的时间稳定性,磁场随时间的波动小于0.1 nT.优化后喷泉钟长期频率稳定度达2.9×10-16,磁场空间分布不均匀性带来的二阶塞曼频移不确定度为3.4×10-19,由磁场随时间波动带来的二阶塞曼频移的不确定度为5.1×10-17.     

NbTi超导磁屏蔽管的研究

对置于磁体中的 NbTi 超导磁屏蔽管进行了实验研究,检测了磁体中超导磁屏蔽管的磁屏蔽能力.结果表明由整块 NbTi 材料做成的超导磁屏蔽管屏蔽能力是不高的,并且其磁屏蔽能力随外磁场升场速度的增大而降低.还测量了超导磁屏蔽管内冻结磁场分布,得到了超导磁屏蔽管冻结磁场分布的一些实验规律,实验结果表明,置于磁体中的超导磁屏蔽管不具备使磁场分布更加均匀的能力,这与某些文献的理论预测不一致.     

用于冷原子的高精度磁场锁定系统

磁场调控的Feshbach共振是调控原子间相互作用最常用的基本工具,减小磁场起伏,对于提高超冷原子散射共振的稳定性有着重要意义.本文通过一套分流磁场锁定系统,实现了百高斯磁场下相对不确定度为10^-6量级的磁场锁定,相较于未经锁定时,低频电流噪声得到45 dB以上的抑制.利用本文的锁定方法,~6Li原子团Rabi振荡相干时间提高了9.6倍,有效延长了超冷原子系统的相干时间.同时根据原子的Raman损耗谱标定了磁场均方根噪声,通过选择无相互作用的528 Gs (1 Gs=10^-4 T)处进行检测,磁场均方根噪声抑制到1.2 mGs,相较于未经锁定时,磁场均方根噪声降低16倍,磁场锁定相对不确定度为2.27×10^-6.这样的磁场锁定系统,可以为超冷原子气体提供精确稳定的背景磁场,对延长量子存储寿命、精确调控原子散射、开展凝聚态物理模拟等超冷量子气体实验有重要意义.     

研究类氦原子基态能量的参数微扰法

考虑了类氦原子中电子对核的屏蔽效应,建立了含有屏蔽效应参数的哈密顿算符,并应用微扰理论研究了类氦原子基态能量.通过参数微扰法计算的类氦原子一级近似基态能量与变分法得到的能量完全相同,比无参数微扰法计算的能量更加接近实验值.参数微扰法为研究多电子原子能级和原子能级精细结构提供了一种新的方法.     

基于人工神经网络在线学习方法优化磁屏蔽特性参数

磁屏蔽在磁场敏感的装置如原子钟、原子干涉仪等精密设备中发挥重要的作用,在变化外磁场下的某个磁屏蔽内部剩余磁场,可以通过Jiles-Atherton磁滞模型和磁屏蔽系数计算得出,根据计算结果可以进行主动补偿来抵消内部磁场的改变.然而实际应用中磁滞模型中五个与磁屏蔽相关的参数以及磁场衰减的两个参数的准确值的获得是比较困难的,通常根据实测磁滞回线人工匹配调节参数会花费大量时间且很难确保最终参数是全局最优值.基于人工神经网络的机器学习方法已经成为一种对复杂模型进行参数优化的有效手段,得益于现代计算机强大的运算能力,该过程通常远远快于人工参数调节,并有更大概率找到全局最优值,获得优于手工调节的参数值.本文利用人工神经网络在线机器学习的方法,对磁滞模型的五个参数与磁屏蔽的另外两个屏蔽相关参数进行优化测定,并对模拟卫星磁场环境下磁屏蔽内剩余磁场进行预测.通过实际测量屏蔽筒内剩余磁场与预测值比对,发现通过机器学习方法得到的磁屏蔽特性参数优于手动找到的参数,且所用时间大大缩短.该结果不仅有助于更好地进行磁场补偿,用于冷原子系统参数优化调整,更重要的是验证了神经网络在多参数物理系统中的应用,可以使其他多参数共同作用的物理实验进行最优参数的快速确定.     

铷原子频标磁致频移相关问题研究

长期稳定度是评价铷原子频标性能的一项关键指标．物理系统内部静磁场（C场）稳定性引起的磁致频移与铷频标长期稳定度有关．利用⁸⁷Rb原子基态磁敏跃迁频率与轴向外加磁场的线性关系,测量了铷频标物理系统内部磁场强度,并计算了铷频标物理系统磁屏蔽筒轴向磁屏蔽因子约为3 828．实验结果表明磁屏蔽筒有效地降低了地磁场日波动对铷频标物理系统内部C场的影响,使磁致频移控制在合理范围内．     

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采用另加偏压的单阴极弧氦放电直线等离子体装置对氦等离子体的基本特性进行了研究.对氦轴向输运规律做了描述并与光谱测量数据做了定性地比较.实验结果表明,氦等离子体的电子温度与电子密度均随放电电流、约束磁场的增加而增加.氦原子与氦离子的辐射光谱随放电电流、偏压、磁场的变化规律进行了测量分析,同时氦离子对钨靶积分辐照效应进行了观察.这些结果不但提供了氦等离子体的基本特性,对于研究氦离子与面向等离子材料相互作用导致产生气泡、肿胀、脆化损伤等的评估,特别是对将来伴有(n,α)反应时具有一定的参考价值.     

原子物理的现代实验方法

 近半个世纪以来,原子物理学的主要发展在于出现了许多新的实验方法.诸如原子束磁共振,光抽运,光频-射频共振,高分辨率激光光谱学等.这些新的实验方法使原子光谱实验的分辨率,灵敏度以及测量精度都得到了很大的提高,已成为深入研究原子的超精细结构和原子与电磁场相互作用的强有力的手段.一、原子束磁共振原子束实验最早可追溯到史特恩-盖拉赫实验(1921).该实验曾证实了电子具有自旋角动量、自旋磁矩,并有空间量子化的特征.至于原子基态的磁共振现象,一直到1938年才被拉比等人用原子束实验方法观测到.     

氦原子自旋-其它轨道相互作用精细结构参数的理论计算

以多电子原子精细结构哈密顿的球张量形式和氦原子非相对论性能级结构理论为基础,借助不可约张量理论,建立了计算氦原子自旋-其它轨道相互作用精细结构参数的一种解析理论形式.完成了所有的角向积分和自旋求和计算,自旋-其它轨道相互作用精细结构参数最终用若干个径向积分来表示.以氦原子(1s2p)3P态为例,借用类氢形式的径向函数对这些径向积分进行了近似计算.计算结果表明:在氦原子的精细结构中,自旋-其它轨道相互作用与纯自旋-轨道相互作用的作用效果相反;在总自旋-轨道相互作用精细结构参数中,自旋-其它轨道相互作用起决定性作用,它决定着精细结构分裂的顺序.     

小型化锶光钟物理系统的研制

光钟物理系统的小型化是制约可搬运光钟及空间冷原子光钟发展的重要因素.主要介绍了小型化锶原子光钟物理系统的研制实验.采用真空腔内置反亥姆霍兹线圈,构建一个小电流、低功耗及小体积的磁光阱.实验中测得真空线圈通电电流仅为2 A时,磁光阱中心区域轴向磁场梯度可达到43 Gs/cm,完全满足锶原子多普勒冷却与俘获对磁场梯度的要求.目前已经成功将锶原子光钟物理系统体积缩小至60 cm×20 cm×15 cm,约为实验室原锶光钟物理系统体积的1/10,并且实现了锶原子的一级冷却,测得俘获区冷原子团的直径为1.5 mm,温度约为10.6 mK.锶同位素~(88)Sr和~(87)Sr的冷原子数目分别为1.6×10~6和1.5×10~5.重抽运激光707和679 nm的加入,消除了冷原子在~3P_2和~3P_0两能态上的堆积,最终可将冷原子数目提高5倍以上.     

氦原子自旋-自旋相互作用精细结构参数的理论计

利用多电子原子的精细结构哈密顿算符的球张量形式,通过计算氦原子的自旋-自旋相互作用哈密顿算符在|LSJMJ〉表象中的矩阵元,导出了氦原子的自旋-自旋相互作用精细结构参数的理论计算式,并就氦原子(n1s)(n2p)组态具体计算参数B之值.     

钫原子磁偶极超精细结构常数及其同位素的磁偶极矩的理论计算

应用基于B样条基组的相对论耦合簇理论方法,计算了~(212)Fr原子的n S (n=7—12), n P (n=7—12)和n D (n=6—11)态的磁偶极超精细结构常数.与精确实验值的比较说明这套理论方法能精确计算出磁偶极超精细结构常数,其中7P态的磁偶极超精细常数的理论值与实验值之间的差异小于1%.在忽略场移效应对Fr原子7P态超精细结构常数的影响下,通过结合实验值进一步定出了~(207-213,220-228)Fr核磁偶极矩μ,这些值与已有的测量值具有非常好的一致性.本文报道了12S, n P (n=9—12)和n D (n=10—11)态的磁偶极超精细结构常数.     

一种新型原子共振滤光器研究

报道Rb原子法拉弟共振滤光器(AFROF)的理论与实验研究.考虑Rb原子超精细结构的塞曼效应,对Rb-AFROF的传输特性进行理论分析,实验观测了Rb-AFROF的工作频率、通带宽度随外磁场和气室温度的变化关系.测量表明,Rb-AFROF传输效率～50%,带宽小于3GHz,最小探测光强～0.1μW.     

极化力导致回旋频率变化

带电粒子在一个均匀磁场中的回旋频率为qB/m ,其中q和m是粒子的电荷与质量 ,B是磁感应强度 .这一关系式是使用离子回旋共振质谱仪进行分子质量对比的基础 ,其应用范围涵盖了鉴别生物分子、研究化学反应速率直到确定原子光谱的精细结构常数 .美国麻省理工学院 (MIT)的物理学家Da     

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带电粒子在一个均匀磁场中的回旋频率为qB/m ,其中q和m是粒子的电荷与质量 ,B是磁感应强度 .这一关系式是使用离子回旋共振质谱仪进行分子质量对比的基础 ,其应用范围涵盖了鉴别生物分子、研究化学反应速率直到确定原子光谱的精细结构常数 .美国麻省理工学院 (MIT)的物理学家Da     

级联弧放电氦等离子体特性研究

采用另加偏压的单阴极弧氦放电直线等离子体装置对氦等离子体的基本特性进行了研究。对氦轴向输运规律做了描述并与光谱测量数据做了定性地比较。实验结果表明,氦等离子体的电子温度与电子密度均随放电电流、约束磁场的增加而增加。氦原子与氦离子的辐射光谱随放电电流、偏压、磁场的变化规律进行了测量分析,同时氦离子对钨靶积分辐照效应进行了观察。这些结果不但提供了氦等离子体的基本特性,对于研究氦离子与面向等离子材料相互作用导致产生气泡、肿胀、脆化损伤等的评估,特别是对将来伴有(n, α)反应时具有一定的参考价值。