本文4299字，阅读约需10分钟

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

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。

本期继续为您带来文章的后续部分——

本次的示范试验中观察到的激光激发是一种精细结构^[3]间的跃迁。如图2a所示，激光激发的起始状态和结束状态各自具有不同的超精细结构，从而产生了14种跃迁。图2b显示了光谱形状的模拟，由超精细结构引起的各种跃迁位于横轴（单位采用波数[12]），每次跃迁的强度（跃迁率）位于纵轴。作为多价离子的能谱分裂，这个结果非常小，在常规的被动分光的分辨率下是无法分离和观测到这样的超精细结构的。本次，研究小组在扫描激光波长的同时观察了激光诱导荧光的强度，以尝试观察这种细小的分裂。

实际当中的激光分光光谱形状不仅反应了超精细结构，还反映了一种由于磁场而产生的能量分裂，即塞曼分裂。在采用常规EBIT的情况下，一般会将多价离子放置于超过0.5特斯拉（T）的强磁场环境中，因此塞曼分裂盖过了超精细结构的特征（图2c）。对此，研究小组优化了实验条件，找到了在0.03T下可以稳定产生多价离子的条件，抑制了实验中的塞曼分裂，实现了世界上前所未有的低磁场环境下的EBIT实验（图2c）。

图2 示范实验中操作的跃迁的能级结构和光谱模拟

(a)本次分光实验中采用的碘多价离子¹²⁷I⁷⁺的激光激发跃迁（14种）及其超精细结构。

(b)激光波数光谱中的超精细结构分裂和跃迁强度（跃迁率）的理论模拟。

(c)各激光跃迁对塞曼分裂磁场强度的依赖性。

在图片下部、磁场强度在0.5T以上的典型EBIT等离子体磁场当中，超精细结构特征被塞曼分裂所覆盖；在粉色横线所示的0.03T低磁场条件下可避免塞曼分裂。本示范试验所采用的跃迁的谐振能量中心的波数（能量）为17633cm^-1（波长为567nm），相邻的超精细结构能级之间的能量差约为1cm^-1。本研究使用的分光用脉冲激光的能量宽度为0.03cm^-1，小一个数量级以上。

通过上述努力，研究小组成功观测到了能清晰反应超精细结构影响的、特征明确的光谱形状（图3）。同时，通过详细分析光谱形状，以实验方式确定了超精细结构的大小。这是评估多电子重元素多价离子的超精细结构理论计算精度的首个分光测量结果。

图3 实验观察到的激光分光光谱和拟合结果

蓝色、绿色和橙色线条是由拟合结果得出的14种跃迁的各自光谱形状。在17634～17636cm^-1所示黑色箭头位置，观察到由超精细结构引起的特殊结构。每个跃迁光谱的宽度反映了由离子的动能引起的多普勒效应的扩大。

未来发展

要实现原子钟应用就必须把握超精细结构的大小。各种多电子重元素多价离子的超精细结构已通过各种方式的原子结构计算在理论上得到了预测。然而，以往还没有相关实验来确认超精细结构是否真的在该尺寸下产生了分裂。本次研究通过实验确定了多电子重元素多价离子的超精细结构大小，在基于原子结构计算理论预测超精细结构分裂时，该成果是一项很好的精度评估指标。

同时，超精细结构的大小不仅反映了原子结构，也反映了原子核的特性。由于碘-127的原子核结构已通过其他方法得到了充分的研究，本研究采用了这种稳定原子核的碘-127，并对其原子核结构进行了评估。如果在同位素之间对超精细结构的大小进行比较，那么对于未知的原子核结构，同样可通过多价分光进行研究。

此外，本次观察到的光谱包含了如电子密度、离子温度等关于等离子体的大量信息。因此，该方法有望发展成，以多价离子的分光光谱为线索研究等离子体状态的方法，并有望在未来得到应用。

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

获取原文

如需原文相关信息，请联系邮箱：support@aipatent.com（请注明“获取原文信息”）

征稿启事

应部分读者建议，本公众号现开放投稿，面向企业及科研机构人员征集稿件，可以分享技术信息、学术类论文、科研成果以及研究见解等。

投稿请发送至邮箱：support@aipatent.com（请注明“AIpatent公众号”来稿）

语智海报.png

观测多电子重元素多价离子的超精细结构（2）