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科研人員研究揭示后選擇效應(yīng)對(duì)氦原子光譜測量的影響
2025-03-17 16:57:53中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)閱讀量：17870 我要評(píng)論
2月28日，中國科大激光痕量探測與精密測量研究團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)進(jìn)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(xué)后選擇效應(yīng)對(duì)氦原子光譜躍遷頻率精密測量的顯著影響。
后選擇效應(yīng)作為量子力學(xué)中的一種有趣現(xiàn)象，常被用來放大微弱信號(hào)以增強(qiáng)測量靈敏度。然而，該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在精密光譜測量中，這一效應(yīng)也會(huì)引入顯著的系統(tǒng)性偏差。研究團(tuán)隊(duì)利用近期發(fā)展的原子束實(shí)驗(yàn)新方法(溫金錄等，Phys. Rev. A107: 042811, 2023編輯推薦論文)，通過對(duì)氦-4原子(4He)的23S−23P躍遷頻率進(jìn)行精密測量，發(fā)現(xiàn)不同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法導(dǎo)致躍遷頻率的明顯偏移，偏移量超過測量統(tǒng)計(jì)誤差的50倍。這一現(xiàn)象源于原子束實(shí)驗(yàn)中采用狹縫選擇特定動(dòng)量原子的檢測方式，使得后選擇效應(yīng)被引入測量過程。
通過進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和理論分析，研究團(tuán)隊(duì)成功消除了后選擇效應(yīng)對(duì)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(xiàn)中已有的3He原子光譜數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)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(gè)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)差的差異，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)驗(yàn)證量子電動(dòng)力學(xué)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(shí)驗(yàn)等其它精密測量中可能存在的后選擇效應(yīng)提供了重要的參考。該工作指出，盡管后選擇效應(yīng)常常被用來提升對(duì)微弱信號(hào)的靈敏度，但在高精密測量中必須謹(jǐn)慎處理，以避免引入系統(tǒng)性誤差。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(xué)技術(shù)大學(xué)胡水明教授、鄒長鈴教授、深圳綜合粒子設(shè)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(xué)基金、中國科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金的資助。
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