量子电动力学（QED）是目前实验与理论符合最“完美”的基础物理理论。它描述了电磁场（光）与微观物质的相互作用。在QED的理论框架下，原子结构属性包括能级、跃迁、磁矩等可以被准确的预测。高电荷态离子是原子外层电子被大量剥离的原子形态，它的内壳层电子感受到极强的库伦势场，这一体系为检验强场下的QED理论提供了独一无二的条件。最近，位于德国马克斯普朗克核物理研究所的合作课题组利用潘宁离子阱精确测量了（50号元素）类氢锡离子1s的轨道电子磁矩，在强场QED理论检验、新物理机制寻找中迈出了重要的一步。
电子是自旋为1/2的基本带电粒子，它自身具有自旋磁矩。这个磁矩与玻尔磁子之间的比例关系中存在一个系数因子称为朗德g因子。对于自由电子而言，在狄拉克方程预言下，这个朗德g因子为2。然而在QED理论中，带电粒子与真空环境电磁涨落之间具有相互作用，g因子并不严格等于2,这就被称为是反常g因子。对于自由电子的g因子，理论与实验已经在13位有效数字下相互符合，确认了QED理论的正确性。但是，如果存在一个极强的（背景）电磁场，譬如电子被带大量正电的原子核强束缚的情况下，QED理论是否还能给出准确的理论预测？
德国马克斯普朗克核物理研究所的合作课题组通过对类氢锡离子1s轨道电子g因子的精确测量，对这一问题给出了解答。他们在高能电子束离子阱装置中，通过（约45keV）高能电子束碰撞剥离锡离子的外层电子，产生了近十万个高电荷态锡离子。研究团队经过多年不懈努力，在经过引出、偏转、聚焦、减速后，成功将类氢锡离子注入到低温超导潘宁离子阱中，并制备成单个低温（约6K）离子。在液氦低温的帮助下，潘宁阱中的真空度极高，能够约束类氢锡离子长达一个多月。离子的稳定制备对开展长周期的精密物理测量是至关重要的。
潘宁阱是一台高精密的实验测量装置，通过微波场激发电子在外场下的拉莫进动，诱导电子自旋态翻转，从而得到精确的共振激发谱。再通过测量类氢锡离子回旋运动频谱校准磁场强度。最终可以获得1s轨道电子g因子的准确值gtheo=1.910562059（1）。马克斯普朗克核物理研究所的理论课题组，在QED的理论框架下对它的g因子进行了目前最精确的计算gtheo=1.910561821（299）。两者在误差范围内相符合，目前实验精度比理论精度高出2个数量级。下一步，他们计划测量更重的元素如类氢的铅或铀离子，那时1s电子感受到的电场将会超过1016V/cm达到Schwinger极限。
这一工作发表于Nature 622, 53 (2023)，Jonathan Morgner博士研究生为文章第一及唯一通讯作者，我系屠秉晟青年研究员为文章第二作者。屠秉晟负责了高电荷态离子束线建设工作，类氢锡离子制备工作，与同组博士研究生Jonathan Morgner一同完成实验测量与数据分析工作。
参考链接：Nature 622, 53 (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06453-2
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