精密测量院在钍-229离子精密测量上取得重要进展

近日，精密测量院原子分子外场理论组和冷分子离子组合作,在钍-229离子精密测量研究方面取得重要进展，提出了通过钍-229三价离子（²²⁹Th³⁺）核外电子跃迁和核跃迁的精密光谱测量，检验精细结构常数随时间变化的研究方案。相关研究成果在国际物理学期刊《Physical Review A》上发表。

光钟作为精密测量实验平台，被应用于时间-秒定义、基础物理检验等诸多前沿研究领域。探寻新的光钟体系具有重要意义，近年来多种候选光钟体系被提出，其中，钍-229原子核由于其存在能量极低（仅约为8.36 eV）且寿命很长的核激发态，是极具潜力的核光钟候选者之一。同时，Th-229核跃迁的精细结构常数敏感因子K在10⁴量级，比现有最敏感的原子跃迁高3-4个量级，是检验精细结构常数随时间变化和探测超轻暗物质与光子的耦合强度的优选实验对象。

精密测量院副研究员李承斌与研究员童昕开展合作，采用相对论原子结构理论方法研究了²²⁹Th³⁺核外电子结构与外场响应性质。研究指出²²⁹Th³⁺核外电子5f_5/2-5f_7/2跃迁具有较高品质因子，运动与外场引起的频率不确定度可均控制在10^-18水平。因此，可在²²⁹Th³⁺离子中同时测量核外电子钟跃迁和原子核钟跃迁的频率，并通过比对极大程度上消除系统误差，实现在10^-21/年灵敏度水平上检验精细结构常数随时间变化。

理论方案示意图

该研究成果以“²²⁹Th³⁺ as an ionic optical clock for fine-structure-constant variations”为题在学术期刊《Physical Review A》上发表，部分理论计算采用的是由原子分子外场理论组自主研发编写的DFCP程序包，所有理论计算均在精密测量院理论计算集群上完成。博士研究生余师成和甘文婷为共同第一作者，副研究员华夏为共同作者，副研究员李承斌与研究员童昕为共同通讯作者。

研究工作得到了国家自然科学基金以及湖北省自然科学基金的资助。

文章链接：https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.109.063115