近期，中国科学技术大学、中国科学院近代物理研究所、德国吉森大学等多家单位的科研人员在兰州重离子加速器冷却储存环HIRFL-CSRm上开展了类氟镍离子（⁵⁸Ni¹⁹⁺）的双电子复合实验，在多电子体系中高阶QED效应研究方面获进展。 

　　量子电动力学（Quantum Electrodynamics，QED）是描述光与物质相互作用的理论，也是第一个把量子力学与狭义相对论完美结合起来的理论。由于该理论极其精确地预言了电子的反常磁矩和氢原子能级的兰姆位移(Lamb shift) 等物理量，费曼把它称为物理学中的“瑰宝”。对QED理论的严格检验有助于确定基本物理常数、探究原子核相关性质以及探索超越标准模型的新物理，因此科学家利用各种精密测量体系和方法对QED理论的检验从未间断。基于重离子冷却储存环的双电子复合精密谱学实验是目前测量高电荷态离子能级精度最高的实验方法之一。 

　　双电子复合实验，（Dielectronic Recombination, DR）的具体反应过程表示为：

　　DR是两步共振过程，物理图像如图1所示， (a)→(b)为共振俘获过程: 一个自由电子被俘获到离子A^q+的束缚态，在满足能量匹配条件时，同时共振激发离子A^q+的一个内壳层电子，形成中间双激发态[A^(q-1)+]^**，可以看作俄歇过程的逆过程； (b)→(c)为辐射稳定过程：处于中间双激发态的[A^(q-1)+]^**离子放出至少一个光子，退激到电离阈值以下，即稳定态。(d) 图是实验测量的典型DR谱和高电荷态离子内部能级结构的对应关系示意图。如图1所示，DR实验中，E_res为电子-离子质心系相对能量，E_exc为内壳层电子从基态到激发态的激发能, E_bind为被俘获电子的电离能，α为速率系数，DR过程满足的能量共振关系为：E_exc = E_bind + E_res。由于双电子复合是一个共振过程，共振峰结构中包含了离子能级结构信息，精密的双电子复合速率系数谱可以解析出靶离子激发态能级结构，可开展如QED效应检验、同位素移动测量、超精细诱导跃迁寿命测量等一系列前沿研究。 

　　图1. 双电子复合DR过程示意图，(a)→(b)对应共振俘获过程，(b)→(c)对应辐射稳定过程。(d)是实验测量的典型DR谱和离子内部原子结构的对应关系示意图。 

　　研究人员获得了0-160 eV范围内包含所有内壳层跃迁的双电子复合通道。通过对比实验结果与理论计算结果，科研人员解析出每个共振结构的来源，并鉴别出电离阈以上86 meV处的第一个共振峰对应的中间态为2s2p⁶[²S_1/2]6s，该共振位置的测量精度可以达到4 meV，如图2（左图）所示。 

　　俄罗斯圣光机大学、俄罗斯圣彼得堡大学、复旦大学、西北师范大学、河北大学等单位的科研人员计算了2s2p⁶[²S_1/2]6s态中6s电子束缚能，结合实验测量的共振能量，精确给出2s²2p⁵[²P_3/2]→2s2p⁶[²S_1/2]的跃迁能量分别为149.056 ± 0.004_exp ± 0.020 _theo eV和149.032 ± 0.004_exp ± 0.006 _theo eV。本次实验精度达到meV量级，比目前美国国家标准局NIST给出的实验评估推荐值的精度提高了几十倍。此外，科研人员还利用第一性原理计算得到了该跃迁能量电子关联、QED和核反冲效应的贡献。 

　　实验与理论的对比表明，本次双电子复合精密测量实验结果检验了多电子体系高电荷态离子的二阶QED效应和电子关联效应，并达到了检验三阶QED效应的精度。该研究为在未来强流重离子加速器装置HIAF上开展高电荷态离子双电子复合精密测量及原子物理和核物理交叉前沿研究奠定了基础。 

　　图2. （左图）类氟Ni¹⁹⁺离子的双电子复合谱，黑色点线是实验结果，红色实线是理论计算结果，86 meV位置的第一个共振峰是2s2p⁶[²S_1/2]6s。（右图）本次实验结果与其他实验结果与理论计算结果的对比。  

　　该工作得到科技部重点研发计划（2017YFA0402300）、国家自然科学基金项目、中科院战略性先导科技专项B、中科院重点前沿项目和中科院青年创新促进会的支持。文章发表在Physical Review A上。 

　　文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevA.106.042808 

　　（原子分子结构与动力学室 供稿）