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，中國科學院近代物理研究所與復旦大學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，并提取了原子核結構信息；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。相關研究成果分別發(fā)表于國際學術期刊《Physical Review A》和《Spectrochimica Acta Part B: Atomic spectroscopy》上，為極端物理條件下的基礎理論檢驗與核結構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，其能級結構對核磁矩、核電四極矩以及強場 QED 修正高度敏感，成為研究核結構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、多電子體系能級結構復雜，對其開展高精度實驗測量長期面臨較大的技術挑戰(zhàn)。研究團隊依托高溫超導電子束離子阱（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構，并通過高分辨譜線擬合獲得了相應的超精細結構常數(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構常數(shù)。該工作為中等原子序數(shù)高電荷態(tài)離子超精細結構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效應的第一性原理理論計算結果對比，實驗數(shù)據(jù)與理論預測在誤差范圍內(nèi)高度吻合，從而對二階 QED 效應進行了有效驗證，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。
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)離子光譜及相關相關交叉學科實驗的開展。
本研究由中國科學院近代物理研究所與復旦大學共同完成，理論計算部分與俄羅斯圣彼得堡大學合作開展。復旦大學博士研究生劉鑫與中國科學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院近代物理研究所汶偉強研究員、圣彼得堡大學 Y. S. Kozhedub 博士以及復旦大學肖君研究員。相關研究工作得到了國家自然科學基金、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)的超精細結構。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精細結構能級間的M1躍遷（含超精細結構）。黑色實線為擬合結果，彩色實線和虛線分別代表35Cl和37Cl的超精細結構譜線。
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)離子精密譜學室??供稿）
