本站讯（记者 龚志成） 近日，海南大学理论物理研究中心博士后王武（第一作者）、邹芬副研究员、李勇教授（共同通讯作者）与德国耶拿亥姆霍兹研究所的S. Fritzsche教授（共同通讯作者）合作，在国际权威期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表了题为“利用超精细电子桥实现钍-229原子核的同核异能态布居转移 (Isomeric Population Transfer of the Th-229 Nucleus via Hyperfine Electronic Bridge)”的学术论文[W. Wang, F. Zou, S. Fritzsche, and Y. Li, Phys. Rev. Lett. 133, 223001 (2024)]。

钍-229原子核具有一个8.36 eV的同核异能态，其具有制造超高精度原子核钟的潜力。然而，如何高效制备该同核异能态是当前研究中的难点和热点，其中一种制备方法是基于单光子或双光子电子桥（electronic bridge）过程。单光子电子桥过程描述的是在一束激光的驱动下电子借助虚中间态发生跃迁并导致原子核激发的现象[图1(a)和(b)]。在双光子电子桥过程中，电子被一束激光制备到特定激发态，然后另外一束激光驱动电子发生单光子电子桥过程。双光子电子桥过程的优势在于降低了对激光的要求，原则上只需两束300 nm左右的激光即可实现同核异能态的制备。

现有的电子桥研究工作都没有考虑原子的超精细结构，然而在钍-229的三价离子中，超精细劈裂可以达到十个GHz 以上[图1(c)]，可以被现有的激光技术所分辨。同时，现有的研究主要集中于电子桥激发的微扰行为，而没有研究非微扰的动力学行为。最后，关于双光子电子桥的研究工作都没有考虑特定电子激发态耗散的影响。综上，现有的工作不能回答电子桥激发过程的长时和动力学行为，因而其实际的激发效率仍是未知的。

针对上述问题，该论文引入了缀饰超精细态，其具有两个优点：i）考虑了之前所忽略的超精细结构带来的影响；ii）将电子桥过程中涉及的大量中间态压缩进单个态 [图1(d)]，有利于构造只涉及少数能级的量子光学模型。具体地，该论文基于缀饰超精细态和量子主方程技术，构造了一个基于双光子电子桥过程的六能级模型 （图2），其中由于超精细劈裂，双光子共振能量与裸核中同核异能态能量不完全相等，而是有几个GHz的偏移。通过研究其长时稳态行为，发现在两束激光对应的拉比频率相等时同核异能态的稳态布居达到最大，但仅为27.9 %左右。为了进一步提升同核异能态布居转移效率，该论文利用受激拉曼绝热通道方法，实现了99.7%的布居转移。这也就实现了同核异能态的布居反转，因而有望基于超精细电子桥过程首次实现原子核激光。由于量子光学方法具有很大的灵活性，该工作有望推动利用量子调控方法实现钍-229原子核的高效制备以及精密调控。

文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.223001

图1. 钍-229三价离子中的单光子电子桥过程示意图，其中(a)原子核与电子能级分开表示；(b) 原子核与电子能级用直积态表示。(c) （左边）原子核与电子直积态；（右边）缀饰超精细态，其中一个缀饰超精细态唯一标定一个超精细能级。(d) 钍-229三价离子中的超精细电子桥过程，其中所有的中间态被压缩进了两个缀饰超精细态。

图2. 钍-229三价离子中基于双光子电子桥过程的六能级模型示意图。系统初始被制备到1态，目标态是同核异能态3。由于2态的耗散，引入了4、5和6态。其中5和6态的超精细结构被忽略了，因为它们不直接影响3态的光激发。