科研進展
高電荷態(tài)離子光譜的精密測量研究取得新進展
近日，中國科學(xué)院近代物理研究所與復(fù)旦大學(xué)的合作團隊在高電荷態(tài)離子精密光譜實驗研究方面取得新進展。團隊首次觀測到類硼氯離子（B-like Cl12+）超精細分裂，并提取了原子核結(jié)構(gòu)信息；實現(xiàn)了類鈹硫離子（Be-like S12+）和類鈹氯離子（Be-like Cl13+）在極紫外EUV波段的高精度光譜實驗，實現(xiàn)目前該波段精度最高的實驗測量，并精確檢驗了QED效應(yīng)。相關(guān)研究成果分別發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《Physical Review A》和《Spectrochimica Acta Part B: Atomic spectroscopy》上，為極端物理條件下的基礎(chǔ)理論檢驗與核結(jié)構(gòu)研究提供了重要實驗依據(jù)。
高電荷態(tài)離子是一種被移除了絕大部分核外電子的原子，是物質(zhì)在極端高溫、高能量環(huán)境下（如恒星內(nèi)部、實驗室高溫等離子體）存在的一種特殊形態(tài)。而高電荷態(tài)離子的超精細分裂源于原子核與核外電子之間的電磁相互作用，其能級結(jié)構(gòu)對核磁矩、核電四極矩以及強場 QED 修正高度敏感，成為研究核結(jié)構(gòu)與基本相互作用的重要物理量。
由于高電荷態(tài)離子制備條件苛刻、多電子體系能級結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對其開展高精度實驗測量長期面臨較大的技術(shù)挑戰(zhàn)。研究團隊依托高溫超導(dǎo)電子束離子阱（EBIT）實驗平臺，首次成功觀測到類硼氯離子（Cl12+） 中2P1/2和 2P3/2能級的超精細分裂結(jié)構(gòu)，并通過高分辨譜線擬合獲得了相應(yīng)的超精細結(jié)構(gòu)常數(shù)，利用第一性原理理論計算，成功提取該離子原子核的磁偶極和電四極超精細結(jié)構(gòu)常數(shù)。該工作為中等原子序數(shù)高電荷態(tài)離子超精細結(jié)構(gòu)的理論研究提供了重要實驗基準。
在極紫外光譜研究方面，團隊利用自主研制的高分辨率極紫外光譜儀（EUV），對類鈹硫離子（S12+）和類鈹氯離子（Cl13+）在EUV波段的電偶極躍遷進行了高精度測量，獲得了該波段迄今精度最高的實驗數(shù)據(jù)。通過與包含高階QED效應(yīng)的第一性原理理論計算結(jié)果對比，實驗數(shù)據(jù)與理論預(yù)測在誤差范圍內(nèi)高度吻合，從而對二階 QED 效應(yīng)進行了有效驗證，為后續(xù)開展少電子高電荷態(tài)離子精密光譜研究奠定了堅實基礎(chǔ)。
在上述研究工作的推動下，團隊還成功研制出新一代高溫超導(dǎo)電子束離子阱裝置——SL-EBIT。該裝置在電子束能量范圍、離子產(chǎn)生效率及離子引出能力等方面均有顯著提升，未來將支撐更高精度的高電荷態(tài)離子光譜及相關(guān)相關(guān)交叉學(xué)科實驗的開展。
本研究由中國科學(xué)院近代物理研究所與復(fù)旦大學(xué)共同完成，理論計算部分與俄羅斯圣彼得堡大學(xué)合作開展。復(fù)旦大學(xué)博士研究生劉鑫與中國科學(xué)院近代物理研究所博士周曉鵬為論文第一作者。通訊作者為中國科學(xué)院近代物理研究所汶偉強研究員、圣彼得堡大學(xué) Y. S. Kozhedub 博士以及復(fù)旦大學(xué)肖君研究員。相關(guān)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃等項目的資助。
圖1. (a) SH-HtscEBIT中Cl12+離子的束縛態(tài)和發(fā)射態(tài)的能級圖，包括1??22??22??2P價態(tài)的超精細結(jié)構(gòu)。超精細能級用總角動量F=I+J標記，核自旋??= 3∕2; (b) 類硼Cl12+離子的發(fā)射光譜，顯示基態(tài)1s22s22p 2P精細結(jié)構(gòu)能級間的M1躍遷（含超精細結(jié)構(gòu)）。黑色實線為擬合結(jié)果，彩色實線和虛線分別代表35Cl和37Cl的超精細結(jié)構(gòu)譜線。
圖2. (a, d)分別為類鈹 S12+和Cl13+離子的?？坦庾V；(b, d)分別為S12+和Cl13+離子的離子色散函數(shù)的殘差圖；(c, f) 為殘差放大圖和1-σ置信區(qū)間；
文章鏈接：
https://link.aps.org/doi/10.1103/5dls-tz48
https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0584854725002344
（高電荷態(tài)離子精密譜學(xué)室??供稿）
