中國科學技術大學與合肥國家實驗室盧征天教授、夏添研究員團隊在實驗上成功觀測到原子能級在電場中的布賴特-拉比位移現(xiàn)象。6月27日，研究成果發(fā)表于《美國國家科學院院刊》。

　　

 

　　實驗裝置示意圖，右下角實驗數(shù)據(jù)展示原子能級隨電場強度平方的非線性變化關系(中國科大供圖)

　　在原子物理學中，量子態(tài)能級通常在磁場中會發(fā)生與磁場強度成正比的塞曼位移。1931年，理論物理學家布賴特和拉比描述了一種非線性的能級位移現(xiàn)象，后被命名為布賴特-拉比效應。這是一種由原子的超精細結構與磁場共同作用產(chǎn)生的量子力學基本效應，已在眾多實驗中被觀測到，并在量子精密調控領域得到廣泛應用。

　　此外，原子能級在電場作用下通常會發(fā)生與電場強度平方成正比的位移，即斯塔克位移。理論預測表明，具有超精細結構的原子在電場中，其能級變化會偏離這一簡單的平方關系，這種現(xiàn)象被稱為電場布賴特-拉比效應，與磁場中的布賴特-拉比效應具有相似性。盡管這一基本量子力學效應早在1968年已被理論預言，但其實驗觀測一直存在技術挑戰(zhàn)。

　　在此次研究中，研究團隊首先將鐿-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萬伏高壓電極之間;同時，通過激光冷卻技術將原子溫度降至40微開爾文，有效消除了多普勒效應對譜線的加寬影響。通過這一系列實驗步驟，研究團隊成功實現(xiàn)了鐿-171原子在強電場環(huán)境下的高精度光譜測量。

　　實驗結果顯示，原子能級的變化顯著偏離了常規(guī)的斯塔克效應。研究團隊觀測到能級位移中與電場四次方、六次方成正比的高階貢獻，直接驗證了電場布賴特-拉比效應。