中科院精密測量院在鋰離子精密譜研究中取得新進展

鋰電池 電池網資料圖

高精度少體原子分子精密譜實驗與理論研究在檢驗束縛態QED理論、確定基本物理常數、獲取原子核結構信息以及探索超越標準模型的新物理中有著重要的應用，是當前國際精密測量物理的重點方向之一。

中國科學院精密測量科學與技術創新研究院研究員高克林領導的囚禁離子物理研究組、研究員史庭云領導的原子分子外場理論研究組，加拿大新不倫瑞克大學教授嚴宗朝和加拿大溫莎大學教授G. W. F. Drake合作開展類氦鋰離子精密譜研究逾十年，近期在鋰離子精密譜研究中取得了重要進展，精確確定了鋰原子核的電磁分布半徑（Zemach半徑）。相關研究發表在期刊Phys. Rev. Lett. 和Phys. Rev. A上。

在實驗方面，針對國際上同類實驗的主要問題，研究團隊研制了更加穩定的亞穩態Li⁺離子源、采用了穩頻于波長計的548nm探測光和快速交替掃描并Doppler-Free的飽和熒光光譜方案，并利用飛秒光梳對探測光頻率進行了精確測量，實現了⁷Li⁺離子2³P態精細結構以及2³S和2³P態的超精細結構的高精度測量，精度優于100kHz，比國際上此前最精確的實驗值在精度上提高了一個數量級。

在理論方面，研究團隊首次計算了包括高階量子電動力學（QED）效應在內的^6,7Li⁺離子2³S 和2³P態的超精細劈裂，精度較之前的文獻結果提高了一個數量級。通過比較^6,7Li⁺離子的理論計算和實驗測量值，發現由⁶Li+的2³S態超精細劈裂確定的Zemach半徑與核物理方法（NP）得到的相應值存在6個標準誤差，確認了⁷Li的核電磁分布半徑比⁶Li的大40%這一反常現象。此外，這項研究確定的⁶Li和⁷Li原子核的Zemach半徑與基于中性^6,7Li原子定出的Zemach半徑分別存在1.5和2.2個標準誤差。這將進一步促進Li⁺和Li精密光譜實驗和理論研究，同時將推動少核子體系核結構理論與實驗的開展。

此項基于原子精密光譜的工作，其特點是獨立于原子核模型；它將為揭示鋰原子核結構、特別是⁶Li核的奇特性質以及檢驗相關的核結構模型提供重要依據。隨著原子光譜精度的不斷提高，越來越多的核效應將在原子譜線中得到體現。因此，原子的精密譜研究將成為探測原子核效應的一扇重要窗口，是核物理進入精密時代的獨特研究平臺。

以上研究工作得到了科技部973項目“基于精密測量物理的引力及相關物理規律研究”、中科院戰略性先導科技專項（B類）項目“基于原子的精密測量物理”、中科院院級科研儀器設備研制項目以及國家自然科學基金委相關項目的資助。