空心原子是指內(nèi)殼缺失多個電子，而外殼仍全部或者部分填充電子的特殊原子。這類遠(yuǎn)離平衡態(tài)的多激發(fā)態(tài)原子的產(chǎn)生機制、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及退激屬性不僅是研究量子電動力學(xué)和理解量子多體相互作用的有效載體，同時在內(nèi)殼電離X射線激光、高能量密度物理及分子成像等領(lǐng)域也具有重要的應(yīng)用價值。

近期，中國科學(xué)院近代物理研究所原子物理中心科研團隊與合作者在重空心原子實驗研究方面取得新進展，證實了全裸重離子-原子碰撞是高產(chǎn)額制備重空心原子的有效途徑，并自主研發(fā)了用于內(nèi)殼多空穴離子X射線精細(xì)結(jié)構(gòu)測量的高分辨平面晶體譜儀。相關(guān)成果發(fā)表在《物理評論A》(PHYSICAL REVIEW A)和《光譜化學(xué)B：原子譜學(xué)》(Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy)上。

針對高效制備重空心原子并對其進行系統(tǒng)性研究的難題，科研團隊在蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)(HIRFL-CSR)及其氣體內(nèi)靶裝置上開展了相關(guān)實驗，利用能量95-197 MeV/u的全裸氙離子與氙靶碰撞，測量了反應(yīng)后靶原子的X射線譜。研究發(fā)現(xiàn)，得益于全裸氙離子所攜帶的強庫侖場及對稱碰撞中內(nèi)殼電子轉(zhuǎn)移過程，空心氙原子的相對產(chǎn)額相比K殼單空穴氙原子最高可達28.6%。該研究表明全裸重離子-原子碰撞是高產(chǎn)額制備重空心原子的有效途徑。

圖1: 空心氙原子輻射退激發(fā)射的Kα伴線、超伴線譜

為進一步研究這類空心原子的產(chǎn)生與退激特性，科研人員自主研發(fā)了用于多空穴離子X射線精細(xì)結(jié)構(gòu)測量的緊湊型寬帶高分辨平面晶體譜儀。該譜儀采用了針對多空穴離子X射線譜特點的獨特幾何構(gòu)型，通過靶平動伴隨晶體同步轉(zhuǎn)動，大幅提升了譜儀調(diào)節(jié)精準(zhǔn)度和便捷性。此外，該譜儀在緊湊的空間內(nèi)實現(xiàn)了0.53-19.3 keV的動態(tài)范圍及0.04-6.58 keV的單次曝光帶寬，全動態(tài)范圍內(nèi)的能譜分辨力好于10²，采用馬賽克晶體時的探測效率較傳統(tǒng)平面晶體譜儀提高了20倍以上。

圖2: 譜儀的結(jié)構(gòu)簡圖（左）及典型測試結(jié)果（右）

以上成果為在蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)、低能量強流高電荷態(tài)重離子研究裝置（LEAF）和強流重離子加速器裝置（HIAF）上開展多空穴原子（離子）的奇異電磁躍遷實驗研究奠定了實驗和技術(shù)基礎(chǔ)。

上述研究由近代物理研究所邵曹杰副研究員團隊主導(dǎo)完成，宋張勇副研究員和王偉副研究員分別為論文的第一作者。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金的支持。

論文鏈接：

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevA.111.032807

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0584854725001417