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摘要：联合研究小组在“电子束离子阱”（EBIT）这一实验室等离子体中，制备了处于亚稳态的多价离子（碘-127的7价离子，127I7+），并进行了脉冲激光照射，从而观测到了极紫外光。极紫外光只在不到10微秒（μs，1μs为百万分之一秒）内的短时间内发生。此外，研究小组还通过采用特殊的等离子体条件来抑制其他分裂因素，即塞曼分裂，从而在激光分光光谱中观测了多电子重元素多价离子的超精细结构分裂。

关键词：多电子重元素多价离子、多价离子分光法、“电子束离子阱”（EBIT）、碘-127的7价离子、等离子体

一种新型多价离子分光法的示范

——观测多电子重元素多价离子的超精细结构

概要

研究小组示范了一种新的多价离子^[1]分光法——“时间分辨等离子辅助激光分光”^[2]，并成功观测了原子能级^[3]极小分裂的超微构造^[3]。

该研究成果有望在原子、原子核、等离子体^[4]等广泛的领域中，为采用多价离子分光的研究带来新的发展，特别是为有望成为下一代原子钟的“多价离子原子钟”^[5]提供宝贵的分光测量值。

本次，联合研究小组在“电子束离子阱”（EBIT）^[4]这一实验室等离子体^[4]中，制备了处于亚稳态^[6]的多价离子（碘-127的7价离子，¹²⁷I⁷⁺），并进行了脉冲激光照射，从而观测到了极紫外光^[7]。极紫外光只在不到10微秒（μs，1μs为百万分之一秒）内的短时间内发生。此外，研究小组还通过采用特殊的等离子体条件来抑制其他分裂因素，即塞曼分裂^[8]，从而在激光分光光谱中观测了多电子重元素多价离子^[1]的超精细结构分裂。

本次示范的新型多价离子分光法概念图

背景

分光研究可用于调查原子所具有的离散能级，是理解微观世界物理规律的一种有效方法。“多价离子”（多价阳离子），即被剥夺了多个电子的高度电离的原子。由于其能级结构充分反映了相对论量子力学^[9]和量子电动力学^[10]的影响，因此是非常值得探索的分光实验对象。

近年，澳大利亚的理论学者指出，多价离子的能级结构适用于原子钟的应用^（注¹^），特别是电子数量相对较多的多电子重元素多价离子引起了大量关注。随着电子数量的增多，能级结构也会变得更为复杂，从而更加难以预测。近十年来，通过分光实验，各种多电子重元素多价离子得到了广泛研究，理论预测精度也随之提高。但是，要将其应用于原子钟，必须对能级上的极小分裂，即“超精细结构”进行分光观测，而以往几乎不存在这样的观测实验。这主要是由于该实验需要高分辨率的分光技术，同时还需要在弱磁场中进行测量，这是多价离子实验的薄弱环节。

自1980年以来，电子束离子阱（EBIT）等多价离子分光光谱仪不断发展，各种分光实验在世界各地不断展开。多价离子分光实验的标准方法是使用分光光谱仪观察等离子体中的多价离子发光，这是一种被动分光法。采用这种方法是由于，生成和维持多价离子本身就是一种特殊技术，且大部分过渡波长处于极紫外光到X射线^[7]的波长范围上，激光分光难以应用。近年来，由于多价离子原子钟的提出，发展高分辨率激光分光技术的势头有所增强，同时也出现了几例示范试验的报告，但实验数量并不多。分光对象大部分是电子数量极少（5个左右）的高价少电子数多价离子，仍未触能及多电子重元素多价离子的激光分光实验。

研究方法与成果

联合研究小组示范了一种新的分光方法，即“时间分辨等离子体辅助激光分光”，并观察了多电子重元素多价离子的超精细结构。该分光方法是由美国国家标准和技术研究所的研究人员在2017年提出的^（注²^），本次的研究成果是该方法的首个示范案例。

在该方法中，首先用EBIT生成所需的多价离子。EBIT是使用磁场从空间上压缩电子束所构成的实验室等离子体。在等离子体当中，原子和电子频繁发生碰撞，通过多次重复碰撞过程逐步电离形成多价离子。同时，电子和多价离子之间的碰撞不仅有助于电离，也有助于激发多价离子^[6]。被激发的多价离子经历自然释放的退激发（辐射）^[6]过程后，转为基态^[6]或寿命较长的亚稳态。用脉冲激光照射处于上述亚稳态的多价离子，将其激发到其他寿命较短的能级（亚稳态）上，并观察激光诱导荧光（LIF）^[11]（图1a，b）。

由于EBIT能一直维持的多价离子数量较少，最多也只有10万个左右，且等离子体当中总是存在所有波长的发光，因此要观测激光诱导荧光并非易事。为提升激光诱导荧光的强度，必须选择适当的多价离子作为实验对象，并在详细理解其能级结构和等离子体中的激发、缓和过程的基础上，调整EBIT的操作条件，创造寿命较长的亚稳态离子数量更多的等离子体环境。

本次示范实验采用了碘-127（质子及电子数：53，中子数：74）的7价离子¹²⁷I⁷⁺（电子数：46），生成的离子当中10%以上处于亚稳态，并在该条件下进行了实验。同时，实验还采用了能够进行时间分辨测量的自制极紫外光分光光谱仪，并完善了实验装置，以在等离子体的发光中，仅分离并检测激光诱导荧光的成分。结果，研究小组成功地在激光照射后的短时间内（10微秒以内）灵敏地地观察到了特定波长（25纳米[纳米，即nm，1纳米为十亿分之一米]）所产生的发光信号（图1c，d）。

图1 时间分辨等离子体辅助激光分光法的概要

(a)实验装置示意图。

(b)该分光法所能观测到的激光激发的典型案例。

(c)本次示范实验中采用的碘-127多价离子¹²⁷I⁷⁺的等离子体当中的发光波长光谱。

(d)激光诱导荧光的时间分辨信号。¹²⁷I⁷⁺的49eV（电子伏特）的发光经常在等离子体中发生，通过照射脉冲激光，发光可短时间加强。此时分辨光谱中出现的激光诱导荧光信号非常弱，只有用共振波长的脉冲激光以100Hz的频率重复照射1小时以上才能检测到。

说明

1.多价离子、多电子重元素多价离子

多价离子是正或负方向上的2价以上的带电原子和分子的总称。一般来说，电子数比质子数少两个以上的原子离子（阳离子）称为多价离子。多电子重元素多价离子是指具有多个电子、价数相对较低的重元素多价离子。该定义较为模糊，没有对电子数或元素重量进行明确的定义，但一般指代正文提到的有望用于原子钟的、具有第5~6周期原子核的5~30价的多价离子。与中性原子相比，多电子重元素多价离子的电子更能强烈感受原子核的电场，且由于电子数量多，其原子结构更为复杂，更难进行电子轨道的理论计算。此外，虽然高分辨率的分光法不适用于中性原子或一价离子等的相应技术，但还是有很多情况需要用到该分光法，其在实验研究方面具有挑战性的因素还很多。

2.时间分辨等离子体辅助激光分光

美国国家标准和技术研究所的Yuri Ralchenko博士提出的一种新型多价离子分光法。该方法使用脉冲激光照射等离子体中的多价离子，借助等离子体中的电子撞击和辐射过程，实现其他方法难以实现的亚稳态的高分辨率激光分光。分光法的名称由本联合研究小组命名。

3.原子能级、超精细结构、精细结构

根据微观世界的物理学定律，即量子力学，被原子核束缚的电子会采取离散的轨道。各个轨道都具有不同的能量，对应原子所具备的离散“能级”。原子分光技术分辨率的提升，明确了小的能量分裂的存在。由于分裂尺寸很小，因此被称为“精细结构”和“超精细结构”，但二者的起源不同。精细结构产生于电子自旋与电子轨道角动量之间的相互作用；而超精细结构则主要源于原子核自旋与电子之间的磁相互作用。因此，超精细结构分裂的大小反映了原子核的核自旋和核磁矩的大小。此外，超精细结构比精细结构更小，其实验观察需要高分辨率的分光方法。

4.等离子体、电子束离子阱（EBIT）、实验室等离子体

“等离子体”是继固体、液体和气体之后的第四种物质状态，在该状态下，构成气体的原子和分子被电离，分为正离子（阳离子）和电子并处于运动状态。等离子体存在于自然界的各个地方，包括高层大气和宇宙空间。在实验室中有意生成的等离子体称为“实验室等离子体”。“电子束离子阱”就是一种实验室等离子体，它利用磁场在真空中将单能量的电子束收敛，并达到高密度。它可以任意控制电子密度、磁场强度和电子能量等参数，因此也称为“经过精确定义的等离子体”。当把原子引入电子束离子阱时，原子将与电子发生频繁碰撞，从而逐渐电离并生成多价离子。EBIT是Electron beam ion trap的缩写。

5.原子钟、多价离子原子钟

时间和频率成反比关系。因此，精确测量振子频率，并总是将其频率作为标准，即可构建精确的时钟。“原子钟”是以原子能级之间的跃迁频率为标准的时钟，频率测量的不确定性越小，时钟的偏差就越小。目前所采用的1秒钟的标准是中性的铯（Cs）原子的微波跃迁，但随着激光技术的发展，已经有人提出了第二代原子钟，即利用可见光附近跃迁的“光晶格钟”和“单离子钟”。其性能已得到证明，且精度和准度均超过了铯原子钟。“多价离子原子钟”是继第二代原子钟之后的一种第三代原子钟技术。它有望刷新第二代原子钟的精度和准度，同时，与之相关的各种应用研究也已被提出。这项技术将为现代基础物理学的辩论做出贡献。

6.亚稳态、激发、去激发（辐射）、基态

在每个原子中，能量最低的状态称为“基态”，其他状态称为“激发态”。基态是一种稳定的状态，只要不受到外界干扰，其状态就不会改变。但是，激发态具有该状态的特定寿命，会跃迁到能量较低的状态，这个过程称为“去激发”或“辐射”。“亚稳态”不是基态，但其寿命较长，不容易跃迁到其他状态。通过电子撞击或光的照射使粒子在不同状态间跃迁的过程称为“激发”。

7.极紫外光、X射线

极紫外光和X射线都是波长小于可见光的光（电磁波）。虽然没有明确的规则来定义其波长范围，但一般情况下，极紫外光指100~10纳米（即nm，1纳米是十亿分之一米）附近的电磁波，X射线指10nm以下的电磁波。本示范实验当中观察到的激光诱导极紫外光的波长是25纳米。

8.塞曼分裂

超精细结构的各能级都包含多个能级，称为磁亚能级。在没有磁场的环境当中，各个磁亚能级具有相同的能量（简并），但磁场可以打破简并状态，使各磁亚能级具备不同的能量。该能量分裂以其发现者彼得·塞曼命名，称塞曼分裂。

9.相对论量子力学

相对论是相对性理论的别称，是爱因斯坦得出的关于时间、空间、重力等的世界基本现象的理论。有时也会被分开称为“狭义相对论”和“广义相对论”，前者不涉及重力，只涉及惯性系统，后者主要讨论重力。相对论量子力学，就是将狭义相对论应用于量子力学的理论，该理论对于理解原子的能级非常重要。例如，精细构造是用狄拉克方程求解电子的束缚态时自然得出的能量分裂。狄拉克方程是将非相对论量子力学的基础方程式“薛定谔方程”延伸至相对论而得来的。

10.量子电动力学

结合了狭义相对论和量子力学，处理电磁波和物质间相互作用的理论。它解释了仅用狄拉克方程无法解释的一种能级移动，即“兰姆移位”。在涉及暴露于强电磁场的系统时，上述理论与非相对论量子力学之间的差异更为凸显。与中性原子和单价离子相比，多价离子的电子轨道更靠近原子核，因此电子能够更强烈地感受到原子核的电场，因此其精细结构和兰姆移位更大。

11.激光诱导荧光(LIF)

用激光激发后，伴随去激发所产生的发光。LIF是Laser-induced fluorescence的缩写。

12.波数

能量单位，以光的波长的倒数cm^-1表示。

翻译：王京徽

审校：李涵

通稿：李涵

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观测多电子重元素多价离子的超精细结构（1）