2月28日，中國科大激光痕量探測與精密測量研究團隊在《科學進展》(Science Advances)上發(fā)表題為“Postseletion shifts the transition frequency of helium in an atomic beam”的最新研究成果。該研究揭示了量子力學后選擇效應對氦原子光譜躍遷頻率精密測量的顯著影響。
后選擇效應作為量子力學中的一種有趣現(xiàn)象，常被用來放大微弱信號以增強測量靈敏度。然而，該研究團隊發(fā)現(xiàn)，在精密光譜測量中，這一效應也會引入顯著的系統(tǒng)性偏差。研究團隊利用近期發(fā)展的原子束實驗新方法(溫金錄等，Phys. Rev. A107: 042811, 2023編輯推薦論文)，通過對氦-4原子(4He)的23S−23P躍遷頻率進行精密測量，發(fā)現(xiàn)不同實驗數(shù)據(jù)分析方法導致躍遷頻率的明顯偏移，偏移量超過測量統(tǒng)計誤差的50倍。這一現(xiàn)象源于原子束實驗中采用狹縫選擇特定動量原子的檢測方式，使得后選擇效應被引入測量過程。
通過進一步的實驗設計和理論分析，研究團隊成功消除了后選擇效應對測量結(jié)果的影響，獲得了氦原子23S1−23P0躍遷頻率的精確值276,764,094,712.45±0.86kHz。基于該結(jié)果和文獻中已有的3He原子光譜數(shù)據(jù)，研究團隊得到了3He-4He核電荷半徑差。值得注意的是，普通氦原子(氦原子核及兩個電子構(gòu)成)光譜測量得到的3He和4He原子核電荷半徑平方差與繆氦離子(氦原子核與一個μ子結(jié)合形成)光譜測量得到的結(jié)果之間存在約2.6倍標準差的差異，這一發(fā)現(xiàn)對驗證量子電動力學中輕子普適性和探索新物理具有重要的意義。
該研究成果不僅為氦原子光譜測量精度的提升提供了新的視角，也為氫原子、里德伯態(tài)光譜測量及氦離子實驗等其它精密測量中可能存在的后選擇效應提供了重要的參考。該工作指出，盡管后選擇效應常常被用來提升對微弱信號的靈敏度，但在高精密測量中必須謹慎處理，以避免引入系統(tǒng)性誤差。
中國科學技術(shù)大學研究生溫金錄、唐家棟、博士后呂亞男為該論文共同第一作者，中國科學技術(shù)大學胡水明教授、鄒長鈴教授、深圳綜合粒子設施研究院孫羽研究員為論文共同通訊作者。本工作受到了國家量子科技創(chuàng)新、國家自然科學基金、中國科學院先導專項、中央高校基本科研業(yè)務費專項資金的資助。
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