中國科大揭示原子分子中類FANO共振新機理

基于原子或分子體系中的窄躍遷能級的精密測量一直是眾多研究的主題，并且已經被廣泛應用于多個領域，如傳感、計量以及光鐘等。窄躍遷也可以被用于測定基本物理常數，檢驗基礎物理學定律、尋找“新物理”。在應用中，為了克服窄躍遷自身對光吸收很弱的缺點，研究人員通常需要采用很強的激光駐波場來探測這些弱躍遷，同時消除由于原子/分子運動導致的多普勒頻移。因此，近幾十年來，人們對強駐波場中的窄共振譜進行了廣泛研究。

在傳統的原子和分子光譜學中，通常采用兩能級或少能級近似，忽略那些與目標能級相距甚遠的能級，該條件下應該可以得到對稱的光譜線形。然而，在近期關于氘化氫分子紅外振轉躍遷（自然線寬僅微赫茲水平）的研究中，胡水明、孫羽研究組意外地發現氘化氫分子的紅外飽和吸收譜呈明顯的不對稱線形。該現象非常違反直覺，而且經過仔細排查各種潛在影響因素，均無法合理的解釋這種不對稱線型。國際同行所開展的類似實驗也確認了這一現象，這使得其成為困擾該領域的一大難題，受到廣泛關注。

為解決這一問題，胡水明、孫羽課題組與鄒長鈴所領導的理論課題組合作，提出一種新的物理機制——非線性類Fano共振。當運動的分子和駐波場耦合時，強駐波場不僅與失諧僅為納電子伏量級的近共振超弱（窄）躍遷耦合，同時也會與失諧超過10電子伏特的其他電子態能級耦合。對比自然線寬僅為微赫茲量級的目標窄躍遷，這種頻率失諧和線寬與目標躍遷相差超過十個量級的電子態一直是被認為是完全可忽略的。

然而，該機理表明，這些尺度相差十幾個量級的量子共振會對被觀測躍遷產生明顯影響。由于交流斯塔克效應，遠失諧強躍遷的耦合會導致目標窄（弱）躍遷能級的頻率移動：在實驗室坐標下，當運動的原子或分子穿過駐波場時，目標能級會產生周期性的頻移；而在分子坐標下，該耦合亦可等價地表示為靜止的原子或分子和頻梳光的耦合，而由于梳齒作用的不對稱性，最終導致不對稱光譜線形的出現。

基于上述分析，鄒長鈴研究組對其進行了解析推導驗證和嚴謹的數值計算，光譜的不對稱特性在兩種理論結果中均得以體現。

為進一步驗證該機制在實際情況中的適用性，胡水明研究組利用兩個獨立的實驗裝置驗證了非線性類Fano共振機制。通過測量一系列二氧化碳分子紅外躍遷的無多普勒飽和吸收光譜，所觀測到光譜的不對稱程度與躍遷強度的關系與理論預測相符合；改變實驗中的激光功率參數時，吸收線型的不對稱因子隨參數的改變情況和理論預測結果一致。這進一步驗證了非線性類Fano共振機制的合理性。

這一物理機制的提出，將很大程度上影響基于窄躍遷的精密測量與應用。審稿人對該工作給予高度評價，“這項工作很重要，結論也很有說服力。”“由于這是一種未被文獻報道的新機制，可能在氘化氫分子和其他分子的現有研究中發揮重要作用。”

中科院量子信息重點實驗室研究生呂亞男、合肥國家實驗室劉安雯副教授以及談艷副研究員為該論文共同第一作者，孫羽副研究員、鄒長鈴教授、胡水明教授為論文通訊作者。