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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
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。
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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。