中國科大實驗觀測到原子在電場中的布賴特-拉比效應

　　中國科學技術大學與合肥國家實驗室盧征天教授、夏添研究員團隊在實驗上成功觀測到原子能級在電場中的布賴特-拉比位移現象。6月27日，研究成果發表于《美國國家科學院院刊》。

　　

 

　　實驗裝置示意圖，右下角實驗數據展示原子能級隨電場強度平方的非線性變化關系(中國科大供圖)

　　在原子物理學中，量子態能級通常在磁場中會發生與磁場強度成正比的塞曼位移。1931年，理論物理學家布賴特和拉比描述了一種非線性的能級位移現象，后被命名為布賴特-拉比效應。這是一種由原子的超精細結構與磁場共同作用產生的量子力學基本效應，已在眾多實驗中被觀測到，并在量子精密調控領域得到廣泛應用。

　　此外，原子能級在電場作用下通常會發生與電場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中，其能級變化會偏離這一簡單的平方關系，這種現象被稱為電場布賴特-拉比效應，與磁場中的布賴特-拉比效應具有相似性。盡管這一基本量子力學效應早在1968年已被理論預言，但其實驗觀測一直存在技術挑戰。

　　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伏高壓電極之間;同時，通過激光冷卻技術將原子溫度降至40微開爾文，有效消除了多普勒效應對譜線的加寬影響。通過這一系列實驗步驟，研究團隊成功實現了鐿-171原子在強電場環境下的高精度光譜測量。

　　實驗結果顯示，原子能級的變化顯著偏離了常規的斯塔克效應。研究團隊觀測到能級位移中與電場四次方、六次方成正比的高階貢獻，直接驗證了電場布賴特-拉比效應。