近日，中国科学院近代物理研究所原子物理中心科研人员在低能高电荷态离子电荷交换量子态选择机制研究方面取得了进展。成果发表在美国物理学会杂志（Physical Review Research 5,023123 (2023)上。 

　　先进离子源的问世使得高电荷态原子物理研究成为一个全新的领域。高电荷态离子具有大量空的量子态轨道，容易俘获中性物质中的原子分子电子形成激发态并退激发射光子。因此，高电荷态离子电荷交换研究成为天文、聚变等高温极端环境诊断和建模研究的重要手段，并且在材料辐照、光刻技术以及X射线光源具有重要应用。 

　　然而，电荷交换中靶电子如何选择性地布居到高电荷态离子的空量子轨道涉及两原子中心量子态跃迁这一量子力学基本问题。低能高电荷态离子电荷交换强微扰的特点使得准确测量量子态选择布居一直是实验原子物理学家的梦想。如何描述电荷交换中靶原子的电子波函数在高电荷态离子强库仑场中的演化以及电子-电子关联效应一直是理论学家面临的挑战。 

　　科研人员基于近代物理所低能EBIS平台和反应显微成像谱仪装置，完全测量了Ar⁸⁺与He电荷交换产生的反冲离子动量矢量二维谱，参见下图。由于电荷交换中动量和能量守恒，反冲离子纵向和横向动量分别反映了电荷交换量子态选择及散射角信息。通过对比最近发展的两激活电子紧耦合理论方法，在考虑碰撞过程中电子-电子相互作用后，理论计算和实验测量所得态选择截面和散射角微分截面完全符合。由此，科研人员证实了低能高电荷态离子电荷交换碰撞中电子-电子相互作用的重要性。同时还发现电荷交换几率对碰撞参数(横向动量)非常敏感，而且和磁量子态散射截面上的震荡结构存在对应关系。 

　　该工作由近代物理所、杭州师范大学、北京应用物理与计算数学研究所及北京大学的科研人员合作完成。该项研究得到了中国科学院战略先导科技专项(B类)、科技部重点研发计划、国家自然科学基金、及中科院西部之光项目的支持。 

　　论文链接：https://journals.aps.org/prresearch/pdf/10.1103/PhysRevResearch.5.023123  

　　图：实验测量所得1 keV/u Ar⁸⁺与He电荷交换反冲离子动量关联谱。横轴为反冲离子纵向动量；纵轴为反冲离子横向动量。 

(原子物理中心  供稿)