中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)與合肥國家實(shí)驗(yàn)室盧征天教授、夏添研究員團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)上成功觀測到原子能級(jí)在電場中的布賴特-拉比位移現(xiàn)象。這項(xiàng)研究成果以“Observation of the electric Breit-Rabi effect”為題，于6月27日在《美國國家科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS）上發(fā)表。

在原子物理學(xué)中，量子態(tài)能級(jí)通常在磁場中會(huì)發(fā)生與磁場強(qiáng)度成正比的塞曼位移。1931年，理論物理學(xué)家布賴特（Gregory Breit）和拉比（I. I. Rabi）描述了一種非線性的能級(jí)位移現(xiàn)象，后被命名為布賴特-拉比效應(yīng)。這是一種由原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)與磁場共同作用產(chǎn)生的量子力學(xué)基本效應(yīng)，已在眾多實(shí)驗(yàn)中被觀測到，并在量子精密調(diào)控領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

另一方面，原子能級(jí)在電場作用下通常會(huì)發(fā)生與電場強(qiáng)度平方成正比的位移，即斯塔克位移。理論預(yù)測表明，具有超精細(xì)結(jié)構(gòu)的原子在電場中，其能級(jí)變化會(huì)偏離這一簡單的平方關(guān)系，這種現(xiàn)象被稱為電場布賴特-拉比效應(yīng)，與磁場中的布賴特-拉比效應(yīng)具有相似性。盡管這一基本量子力學(xué)效應(yīng)早在1968年已被理論預(yù)言，但其實(shí)驗(yàn)觀測一直存在技術(shù)挑戰(zhàn)。

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實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，右下角實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)展示原子能級(jí)隨電場強(qiáng)度平方的非線性變化關(guān)系。

在本項(xiàng)研究中（見示意圖），研究團(tuán)隊(duì)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(duì)萬伏高壓電極之間；同時(shí)，通過激光冷卻技術(shù)將原子溫度降至40微開爾文，有效消除了多普勒效應(yīng)對(duì)譜線的加寬影響。通過這一系列實(shí)驗(yàn)步驟，研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了鐿-171原子在強(qiáng)電場（100 kV/cm）環(huán)境下的高精度光譜測量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，原子能級(jí)的變化顯著偏離了常規(guī)的斯塔克效應(yīng)。研究團(tuán)隊(duì)觀測到能級(jí)位移中與電場四次方、六次方成正比的高階貢獻(xiàn)，直接驗(yàn)證了電場布賴特-拉比效應(yīng)。

該論文的共同第一作者為中國科大合肥微尺度國家研究中心博士生王紹政和物理學(xué)院博士生王守博。此項(xiàng)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委和科技部等的資助。

文章鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2423902122