探测电子间的交流

量子电动力学——追求精度的竞赛

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验证的理论。该理论已通过多种方式经受严格验证，精度达十亿分之一（0.1 ppb）。但正是该理论的强大之处驱动着物理学家对其进行更严苛的检验，以探索其可能存在的极限。任何显著偏差都将是新物理的征兆。

QED将带电粒子间的电磁相互作用理解为"虚"光子的交换——原子中电子以此方式相互"交流"、与原子核"对话"——并通过光子的发射与再吸收实现自相互作用，这种QED效应称为"自能"。此外，研究发现物理真空并非空无一物，而是充满了虚粒子（如电子-正电子对），它们不断"凭空出现"又必须在量子物理学不确定性原理设定的时限内消失。尽管这听起来有些离奇，但它恰恰解释了早在1940年代原子物理实验中观测到的底层物理机制。

研究QED现象的尖端途径是电子的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相互作用会改变g因子，导致其与数值2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外场。在重元素中，电子因高核电荷而承受极强的电场。氢类高电荷离子是最简单的体系，其理论与实验研究均取得重大成功。

海德堡马克斯·普朗克核物理研究所的研究人员通过理论与实验的协同合作，首次测量了类锂锡离子中最外层束缚电子的g因子。该体系与氢离子类似，但增加了内层原子壳中两个紧束缚电子的相互作用。

理论：ab initio QED计算

Ab initio计算在基本层面上考虑了所有组分间的电磁相互作用（此处指类锂离子），包括特定阶数的QED效应。计算中纳入了电子交换光子的电子结构效应，以及电子与其他电子、自身或真空相互作用的QED屏蔽效应。通过将最近在类氢锡中测量的双圈QED贡献按比例应用于类锂电子体系，进一步优化了ab initio预测值。由此得到"实验增强型"理论预测值：

g_th = 1.980 354 797(12)

括号内为不确定度。与类氢体系相比，该值整体精度提升了25倍。

实验：自旋翻转计数

束缚电子g因子的测量在MPIK的低温彭宁阱ALPHATRAP中完成。阱内强磁场导致离子受限于场的特征运动，并使外层电子自旋如同微型磁陀螺般进动。g因子可通过离子运动频率与进动频率的比值提取（计算中已消除磁场影响）。离子运动可直接由"精密阱"电极中微弱的感应电信号检测。为测定进动频率，向阱内发射微波辐射以诱发自旋翻转（即自旋取向改变——由于量子化效应仅存在"上"、"下"两种可测自旋态）。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

括号内分别为统计、系统及外部不确定度。外部不确定度主要源于离子质量的不确定度（当前实验精度的限制因素）。整体精度达5亿分之一（0.5 ppb）。实验结果与上述理论预测值在计算不确定度范围内高度吻合。实验上可将质量值精度提高一个数量级以上，从而在理论进展的推动下提升g因子精度。未来，对更重的类锂体系（如²⁰⁸Pb⁷⁹⁺）的测量及双圈QED计算的预期突破，将利用高电荷离子在强电场领域实现更优的检验。本研究发展的电子间QED效应先进理论方法，可应用于更复杂离子（类硼/类碳离子）的g因子计算、中性原子的宇称不守恒跃迁及其他效应研究。