编者按

量子电动力学(QED)作为原子分子精密谱的理论基础，为理解微观物理世界提供了坚实的框架。少电子原子分子体系由于其相对简单的电子结构，成为高精度计算与测量的理想对象，是检验束缚态QED理论的独特平台。随着冷原子物理和激光技术的迅猛发展，原子分子光谱的精密测量也不断取得突破。精度的提升使得能级的位移揭示出越来越多的物理效应，为检验QED理论、测量基本物理常数、揭示原子核结构以及探索新物理开辟了重要的科学路径。可以说，历经一个多世纪的发展，少电子原子分子精密谱研究仍然在推动着物理学的前沿进展。

当前，少电子原子分子精密谱面临着诸多挑战和未解难题。例如：质子半径之谜依然困扰着科学界——不同实验、不同方法得到的μ氢及氢原子体系质子半径存在一定偏差；从同位素位移导出的氘核的电荷半径在不同谱线中的结果存在明显差异。此外，氦原子2S—2P态跃迁频率的测量在不同实验组之间存在显著偏差，且在2S—3D和2P—3D跃迁中，理论与实验结果间也有不小的分歧。锂原子及其离子的精密光谱研究也揭示出锂-6的核电磁半径与核物理定出的结果之间有相当的偏离。少体束缚态QED理论中，能级展开为精细结构常数的幂级数，目前实验精度已敏感的第七阶修正的理论数据来源十分有限，第八阶修正仍然不完善。这些问题表明，少电子原子分子精密谱的研究不仅充满挑战，更充满着解决新问题的希望。

本专题汇聚了活跃在少电子原子分子精密谱研究前沿的中青年科学家，展示这一领域的最新研究进展和未来发展趋势。通过结合各自的研究工作，从不同视角为读者呈现该领域的前沿进展，旨在促进学术交流并激发新的研究思路。专题内容涵盖多个重要议题，包括：氢分子离子超精细结构的理论研究；原子兰姆位移与超精细结构中核结构效应的探讨；锂离子精密光谱与核结构信息的挖掘；少电子原子在极紫外波段的精密光谱测量；基于协同冷却技术的HD⁺振转光谱精密测量；高电荷态类硼离子²P_3/2—²P_1/2跃迁的实验与理论研究进展；自由电子激光在氦原子高强度亚稳态的制备中的前景展望；以及基于潘宁离子阱的少电子离子g因子的精密测量。

我们希望本专题不仅能为相关领域的研究者提供有价值的参考，也能吸引更多的学者，特别是青年科学家，加入到少电子原子分子精密谱的研究中来，为我国在该领域的蓬勃发展注入新鲜活力。

客座编辑

高克林，研究员，博导。1982年毕业于华中工学院（现华中科技大学）物理系，1990年于中国科学技术大学获博士学位。毕业后在中国科学院武汉物理研究所（现中国科学院精密测量科学与技术研究院）工作。曾先后在美国华盛顿大学物理系、英国国家物理实验室、奥地利Innsbruck 大学访问和合作研究。主要从事囚禁冷却离子光频标以及精密谱研究。2005年，被科技部聘为“973”计划“原子频标物理与技术基础”项目首席科学家；2011年被科技部聘为 “973” 计划 “光频标关键物理问题与技术实现” 项目首席科学家；2017被科技部聘为 “国家重点研发计划重点专项-量子调控与量子信息” —  “高精度原子光钟” 项目首席科学家。

专题文章

研究论文

自由电子激光制备高强度亚稳态氦原子和类氦离子

杜小娇，魏龙，孙羽，胡水明

物理学报. 2024, 73 (15): 150201.

doi: 10.7498/aps.73.20240554

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摘要：在少电子原子精密光谱测量中，产生高强度、单一量子态的氦原子和类氦离子是实验研究的关键，也是改善实验测量信噪比的决定性因素。本文提出利用自由电子激光获得高强度亚稳态氦原子和类氦离子的实验方案。激光的制备效率可以通过求解光和原子相互作用的主方程获得，根据拟建设的深圳自由电子激光装置的设计参数和实验条件，计算得到亚稳态He，Li⁺和Be²⁺的制备效率分别可达3%，6%和2%以上。与常见的气体放电和电子轰击等制备方法相比，激光激发产生亚稳态原子/离子不仅可以提高制备产率，也可以降低放电时产生的电子、离子以及光子等高能杂散粒子的影响。利用自由电子激光激发制备亚稳态氦原子和类氦离子有望应用于多个研究领域。

综  述

原子兰姆位移与超精细结构中的核结构效应

计晨

物理学报. 2024, 73 (20): 202101.

doi: 10.7498/aps.73.20241063

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摘要：精密原子光谱实验和理论在测量基本物理常数和检验量子电动力学理论中起着关键作用，同时为研究原子核内部结构和发展高精度核结构理论提供重要观测平台。许多原子光谱实验中，核结构效应如电荷分布、磁矩分布和核极化度已被精确测定，大大提高了核结构检测的精度。本文系统论述了关于轻质量电子原子与缪子原子兰姆位移和超精细结构中的双光子交换效应的理论框架与研究发展。着重介绍了先进的核力模型和核结构第一性原理计算方法在上述问题中的应用。轻质量原子中双光子交换效应的理论研究对于从原子光谱测量中确定核电荷半径和Zemach半径具有重要作用。这些研究结果不仅能加深对原子核内部结构以及核子-核子相互作用的理解，还为未来实验提供重要的理论指导，推进对质子半径难题以及其他轻核半径测量问题的理解。

高电荷态类硼离子²P_3/2—²P_1/2跃迁的实验和理论研究进展

刘鑫，汶伟强，李冀光，魏宝仁，肖君

物理学报. 2024, 73 (20): 203102.

doi: 10.7498/aps.73.20241190

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摘要：高电荷态离子(highly charged ion，HCI)的精细结构及辐射跃迁性质的精确测量不仅可以检验基本物理模型，包括: 强场量子电动力学(quantum electrodynamics，QED)效应、电子关联效应、相对论效应、原子核效应等，而且能够为天体物理和聚变等离子体物理提供关键原子物理参数。相对于研究较多的类氢和类锂离子体系，类硼离子的精细结构禁戒跃迁的相对论效应和QED效应的贡献很大，高精度实验测量与理论计算为进一步检验多电子体系的基本物理模型提供了重要途径。此外，类硼离子也被认为是最佳的高电荷态离子光钟候选体系。本文主要介绍了类硼离子基态²P_3/2—²P_1/2跃迁的实验和理论研究最新进展，概述了其精细结构和超精细结构的研究现状，并讨论了使用电子束离子阱结合高分辨光谱学实验技术开展类硼离子超精细分裂实验测量的方案，为未来开展类硼离子超精细分裂实验研究并在更高精度上检验QED效应，提取原子核磁化分布半径，检验相关的核结构模型等研究提供了参考。

少电子离子束缚态电子g 因子精密测量

屠秉晟

物理学报. 2024, 73 (20): 203103.

doi: 10.7498/aps.73.20240683

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摘要：少电子离子束缚态电子g因子的精密测量是借助原子分子体系研究束缚态量子电动力学(QED)理论的有效途径。特别是在高电荷态重核体系中，原子核与内壳层电子之间极强的电磁相互作用为研究极端电磁场环境下的QED效应提供了独一无二的条件。通过精确测量束缚态电子g因子，还可以分析核效应、测定核结构参数、确定基本物理常数等。少电子离子束缚态电子g因子的研究已经成为精密谱学方向的前沿课题。潘宁离子阱(借助稳态电磁场囚禁离子的系统)是进行g因子测量的有效实验装置之一。本综述将对基于潘宁离子阱开展少电子离子束缚态电子g因子的实验研究进行全面回顾，介绍基本实验原理与测量方法，重点论述该领域在近几年中的重要实验成果，并对未来发展进行简要展望。

氢分子离子超精细结构理论综述

钟振祥

物理学报. 2024, 73 (20): 203104.

doi: 10.7498/aps.73.20241101

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摘要：通过氢分子离子振转光谱的高精度实验测量和理论计算，可以精确确定基本物理常数，如质子-电子质量比、氘核-电子质量比、里德伯常数、以及质子和氘核的电荷半径。氢分子离子光谱包含丰富的超精细结构，为了从光谱中提取物理信息，我们不仅需要研究振转光谱跃迁理论，还需要研究超精细结构理论。本文回顾了氢分子离子精密光谱的实验和理论研究历程，着重介绍了氢分子离子超精细结构的研究历史和现状。在20世纪的下半叶就有了关于氢分子离子超精细劈裂的领头项Breit-Pauli哈密顿量的理论。随着21世纪初非相对论量子电动力学 (NRQED)的发展，氢分子离子超精细结构的高阶修正理论也得到了系统的发展，并于最近应用到H₂⁺和HD⁺体系中，其中包括mα⁷ln(α)阶量子电动力学(QED)修正。对于H₂⁺，超精细结构理论计算经过数十年的发展，可以与20世纪的相应实验测量符合。对于HD⁺，最近发现超精细劈裂实验测量和理论计算存在一定的偏差，且无法用mα⁷阶非对数项的理论误差来解释。理解这种偏差一方面需要更多的实验来相互检验，另一方面对理论也需要进行独立验证并发展mα⁷阶非对数项理论以进一步减小理论误差。

基于冷分子离子HD⁺振转光谱的精密测量

张乾煜，白文丽，敖致远，丁彦皓，彭文翠，何胜国，童昕

物理学报. 2024, 73 (20): 203301.

doi: 10.7498/aps.73.20241064

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摘要：由一个质子、一个氘核和一个电子组成的氢分子离子“HD⁺”是最简单的异核双原子分子，其有着丰富的、可精确计算和测量的振转跃迁谱线。通过HD⁺振转光谱实验测量和理论计算的对比，可实现物理常数的精确确定，量子电动力学理论的检验，并开启了超越标准模型新物理的探寻。目前，HD⁺的振转跃迁频率确定的相对精度已经进入了10^–12量级，并由此获得了当前最高精度的质子电子质量比，相对精度达到20 ppt (1 ppt = 10^–12)。本文全面介绍了目前HD⁺振转光谱的研究现状与理论背景，阐述了基于Be⁺离子协同冷却HD⁺分子离子的高精度振转光谱测量方法，包括Be⁺离子和HD⁺分子离子的产生与囚禁，HD⁺外态冷却与内态制备，双组分库仑晶体中HD⁺数目的确定，以及HD⁺振转跃迁的探测。最后，文章展望了进一步提高频率测量精度的光谱前沿技术，及同位素氢分子离子的振转光谱在未来研究中的发展前景。

锂离子精密光谱与核结构信息

管桦，戚晓秋，陈邵龙，史庭云，高克林

物理学报. 2024, 73 (20): 204203.

doi: 10.7498/aps.73.20241128

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摘要：锂离子精密光谱为束缚态量子电动力学的验证以及原子核结构的研究提供了独特的平台。本文综述了实验和理论联合研究团队近年来对^6,7Li⁺离子³S₁和³P_J 态超精细劈裂的高精度理论计算与实验测量的研究成果。在理论方面，理论团队采用束缚态量子电动力学方法对³S₁和³P_J 态的超精细劈裂进行了计算，精确至mα⁶阶。在实验方面，实验团队分别通过饱和荧光光谱法和光学Ramsey方法对⁷Li⁺和⁶Li⁺离子的超精细劈裂进行了高精度测量，并由此提取了^6,7Li核的Zemach半径。结果显示，⁶Li的Zemach半径与核模型计算值存在显著差异，揭示了⁶Li核的奇异特性。这不仅为原子核结构的探索提供了重要信息，也将进一步推动少电子原子和分子的精密光谱研究。

极紫外波段的少电子原子精密光谱测量

肖峥嵘，张恒之，华林强，唐丽艳，柳晓军

物理学报. 2024, 73 (20): 204205.

doi: 10.7498/aps.73.20241231

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摘要：基于少电子原子体系的精密光谱测量为“质子半径之谜”、量子电动力学高精度检验等重大科学问题的解决带来曙光，因此备受关注。然而，少电子体系许多重要的跃迁谱线位于真空/极紫外波段，缺少合适的 窄线宽光源是阻碍其测量精度进一步提升的主要原因之一。近年来，基于稀有气体高次谐波过程产生的极紫外窄线宽相干光源为精密测量这些跃迁谱线带来了新的机遇。最新研究表明，极紫外光梳的最短波长可至12 nm，最高功率可至mW量级，线宽可至0.3 MHz；而极紫外波段的拉姆齐光梳亦可以实现kHz量级的光谱精度，且其工作波长有潜力覆盖整个极紫外波段。本文重点介绍少电子原子极紫外波段精密光谱测量相关技术方法与研究进展。首先简要介绍基于少电子原子体系精密光谱测量的科学意义；随后介绍极紫外波段少电子原子体系精密光谱测量方法，即基于极紫外光梳的直接频率梳光谱方法和极紫外波段的拉姆齐频率梳光谱方法；然后介绍利用这些方法开展少电子原子体系精密光谱实验测量以及相关精密谱理论计算方面的研究进展，以及这些方法在其他相关研究中面临的重要机遇；最后给出未来工作展望。

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