近日，中国科学院近代物理研究所与复旦大学的合作团队在高电荷态离子精密光谱实验研究方面取得新进展。团队首次观测到类硼氯离子（B-like Cl¹²⁺）超精细分裂，并提取了原子核结构信息；实现了类铍硫离子（Be-like S¹²⁺）和类铍氯离子（Be-like Cl¹³⁺）在极紫外EUV波段的高精度光谱实验，实现目前该波段精度最高的实验测量，并精确检验了QED效应。相关研究成果分别发表于国际学术期刊《Physical Review A》和《Spectrochimica Acta Part B: Atomic spectroscopy》上，为极端物理条件下的基础理论检验与核结构研究提供了重要实验依据。

高电荷态离子是一种被移除了绝大部分核外电子的原子，是物质在极端高温、高能量环境下（如恒星内部、实验室高温等离子体）存在的一种特殊形态。而高电荷态离子的超精细分裂源于原子核与核外电子之间的电磁相互作用，其能级结构对核磁矩、核电四极矩以及强场 QED 修正高度敏感，成为研究核结构与基本相互作用的重要物理量。

由于高电荷态离子制备条件苛刻、多电子体系能级结构复杂，对其开展高精度实验测量长期面临较大的技术挑战。研究团队依托高温超导电子束离子阱（EBIT）实验平台，首次成功观测到类硼氯离子（Cl¹²⁺） 中²P_1/2和 ²P_3/2能级的超精细分裂结构，并通过高分辨谱线拟合获得了相应的超精细结构常数，利用第一性原理理论计算，成功提取该离子原子核的磁偶极和电四极超精细结构常数。该工作为中等原子序数高电荷态离子超精细结构的理论研究提供了重要实验基准。

在极紫外光谱研究方面，团队利用自主研制的高分辨率极紫外光谱仪（EUV），对类铍硫离子（S¹²⁺）和类铍氯离子（Cl¹³⁺）在EUV波段的电偶极跃迁进行了高精度测量，获得了该波段迄今精度最高的实验数据。通过与包含高阶QED效应的第一性原理理论计算结果对比，实验数据与理论预测在误差范围内高度吻合，从而对二阶 QED 效应进行了有效验证，为后续开展少电子高电荷态离子精密光谱研究奠定了坚实基础。

在上述研究工作的推动下，团队还成功研制出新一代高温超导电子束离子阱装置——SL-EBIT。该装置在电子束能量范围、离子产生效率及离子引出能力等方面均有显著提升，未来将支撑更高精度的高电荷态离子光谱及相关相关交叉学科实验的开展。

本研究由中国科学院近代物理研究所与复旦大学共同完成，理论计算部分与俄罗斯圣彼得堡大学合作开展。复旦大学博士研究生刘鑫与中国科学院近代物理研究所博士周晓鹏为论文第一作者。通讯作者为中国科学院近代物理研究所汶伟强研究员、圣彼得堡大学 Y. S. Kozhedub 博士以及复旦大学肖君研究员。相关研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。

图1. (a) SH-HtscEBIT中Cl¹²⁺离子的束缚态和发射态的能级图，包括1𝑠²2𝑠²2𝑝²P价态的超精细结构。超精细能级用总角动量F=I+J标记，核自旋𝐼= 3∕2; (b) 类硼Cl¹²⁺离子的发射光谱，显示基态1s²2s²2p 2P精细结构能级间的M1跃迁（含超精细结构）。黑色实线为拟合结果，彩色实线和虚线分别代表³⁵Cl和³⁷Cl的超精细结构谱线。

图2. (a, d)分别为类铍 S¹²⁺和Cl¹³⁺离子的校刻光谱；(b, d)分别为S¹²⁺和Cl¹³⁺离子的离子色散函数的残差图；(c, f) 为残差放大图和1-σ置信区间；

文章链接：

https://link.aps.org/doi/10.1103/5dls-tz48

https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0584854725002344

（高电荷态离子精密谱学室  供稿）