马余刚院士团队在钍核钟跃迁频率理论研究方面取得重要进展

《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版 (SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, SCPMA)出版复旦大学现代物理研究所马余刚院士团队研究成果，文章题为 “Prediction of nuclear clock transition frequency difference between ²²⁹Th³⁺ and ²²⁹Th⁴⁺ via ab initio self-consistent field theory”。司然为论文第一作者，司然、孔祥进、屠秉晟、马余刚为通讯作者。

²²⁹Th被认为是构建核光钟的理想候选体系。由于不同电荷态下核外电子云的差异，²²⁹Th离子的核能级跃迁频率会受到场位移效应而引发频移。区别于以往采用的微扰理论，本研究引入非微扰的多组态Dirac-Hartree-Fock（MCDHF）方法系统研究场移效应。通过分别计算²²⁹Th原子核处于基态与同核异能态时，^229,229mTh³⁺与^229,229mTh⁴⁺的基态电子组态能量，我们得到²²⁹Th³⁺与²²⁹Th⁴⁺的核跃迁频率差为-639 MHz，计算结果的收敛精度达1 MHz。结合最新实验测得的CaF₂晶体中²²⁹Th⁴⁺跃迁频率值[Nature 633, 63 (2024)]，我们预测了孤立²²⁹Th³⁺离子的中心跃迁频率为2,020,407,009(1)_comp.(77)_δ<r2> (70)_ext. MHz，其中括号内数值分别对应于计算误差、核电荷半径误差，以及晶体环境效应引起的误差。此外，我们还对²²⁹Th³⁺离子核钟跃迁的超精细劈裂进行了计算。该研究为实现孤立²²⁹Th³⁺离子在离子阱中直接激光激发提供了重要理论指导。

该工作得到了国家自然科学基金委员会、国家科技部重点研发计划、上海市科学技术委员会、广东省基础与应用基础研究重大项目的支持。

论文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s11433-025-2675-4

论文DOI：https://doi.org/10.1007/s11433-025-2675-4