探测电子活动

量子电动力学——精度之争

量子电动力学（QED）是描述所有电磁现象（包括光/光子）的基础理论。同时，它也是物理学中经过最精确检验的理论。它已通过各种方式接受了严格测试，精度高达十亿分之一0.1。但正是这一理论的强大之处，驱使物理学家对其进行更严格的测试并探索其可能的极限。任何显著偏差都将暗示新物理的存在。

QED 将带电粒子间的电磁相互作用理解为"虚"光子的交换——原子中电子彼此"交流"、与原子核"交流"的方式——以及通过光子的发射和再吸收与自身相互作用，这是一种称为"自能"的 QED 效应。此外，事实证明物理真空并非空无一物，而是充满了虚粒子，例如电子-正电子对，它们不断地"凭空"出现，但必须在量子物理学不确定性原理设定的限制内消失。尽管这听起来可能有些诡异，但这正是解释 1940 年代原子物理学实验背后基础物理的方式。

探究 QED 现象的一种前沿方法是研究所谓的电子 g 因子，它描述了电子的力学特性（内禀角动量：自旋）与磁学特性之间的关系。根据狄拉克理论（相对论量子力学），自由电子的 g 因子应精确等于 2。然而，各种 QED 相互作用改变了 g 因子，导致其与数值 2 之间存在微小但可精确测量的偏差。QED 效应以强非线性方式依赖于外场。电子在重元素中因高核电荷而承受极高的电场。最简单的体系是类氢高电荷态离子，其理论和实验研究均取得了巨大成功 。

在一项联合实验-理论研究工作中，海德堡马克斯·普朗克核物理研究所的研究人员现在研究了类锂锡离子中最外层束缚电子的 g 因子。该体系类似于氢，但增加了与原子内壳层两个紧密结合电子的相互作用。

理论：从头算 QED 计算

从头算计算在基本层面上考虑了组分间的所有电磁相互作用（此处指类锂离子），包括达到特定程度的 QED 效应。计算中包含了电子交换光子的电子结构效应，以及电子同时与其他电子、自身或真空相互作用的 QED 屏蔽效应。通过使用从最近在类氢锡 中的测量提取并缩放到类锂电子情形的双圈 QED 贡献，进一步改进了该从头算预测。这产生了一个"实验增强的"理论预测值：

g_th = 1.980 354 797(12)

括号内给出的是不确定度。与类氢情况相比，整体精度提高了 25 倍。

实验：计数自旋翻转

束缚电子g因子的测量在 MPIK 使用低温彭宁阱 ALPHATRAP 进行。阱内的强磁场导致被束缚的离子产生特征性运动，同时也导致外层电子的自旋像微小的磁性陀螺一样进动。通过计算离子运动频率与进动频率的比值，同时消除磁场的影响，可提取出g因子。离子运动可直接通过"精密阱"电极中感应出的微小电信号进行检测。为了确定进动频率，将微波辐射送入阱内，微波可诱导自旋翻转（即自旋取向的改变，由于量子化，只有"上"和"下"两个可测量的自旋态）。当微波频率与进动频率共振时，自旋翻转率达到峰值。

结果与展望

类锂锡离子 g 因子的实验值为

g_exp = 1.980 354 799 750(84)_stat(54)_sys(944)_ext

括号内分别给出的是统计、系统和外部不确定度。外部不确定度主要由离子质量不确定度主导，这目前限制了实验精度。整体精度为十亿分之一0.5。实验结果在计算的不确定度范围内与上述理论预测十分吻合。在实验方面，如果理论进展有需求，将质量值的精度提高一个数量级以上并进而提高g因子精度是可行的。未来，对更重的类锂体系（如²⁰⁸Pb⁷⁹⁺）的测量以及双圈 QED 计算的预期进展，将利用高电荷态离子在强电场区域提供更优的检验。这里发展的用于电子间 QED 效应的先进理论方法，可应用于更复杂离子（类硼或类碳离子）、中性原子中的宇称不守恒跃迁以及其他效应的g因子计算。