离子-原子电荷交换碰撞的自旋统计破缺研究取得重要进展

电子的电荷与自旋自由度之间的耦合在理解原子和分子相互作用的动力学研究中发挥着关键作用，对等离子体物理学、高能X射线激光器开发、热核聚变和天体物理等研究领域实验结果的解释具有重要意义。科研人员对以上系统及其原子过程进行建模，通常会对原子电子结构和动力学采用近似方法处理，尤其涉及多个开壳原子或分子的碰撞会导致假的自旋态和忽略电子交换耦合的情况。基于此，科研人员一般会根据各自的自旋简并度统计加权对应的量子态截面。

本项研究中，科研人员利用兰州重离子加速器产生的C3+离子与氦原子碰撞，依托自主研发的高分辨率反应显微成像谱仪，通过实验测量了单电子俘获到C3+离子2p轨道的自旋三重态和单重态的截面，并得到了三重态与单重态的强度比。实验结果表明，与最新发现的3个激活电子的渐近态紧耦合理论计算结果一致，从而证实了电子关联在电荷转移中扮演了重要角色。

该研究工作克服了以往实验和理论上的诸多困难，尤其在高碰撞能量下，从积分和散射角微分截面水平上证明了传统自旋统计假设的失效（见下图）。以上新发现有助于研究人员加深对超快碰撞过程中电子动力学的理解，并为探索原子和分子反应相关的量子操控研究提供了新视角。

此项工作第一作者为近代物理所朱小龙研究员，通讯作者为近代物理所马新文研究员和法国索邦大学的Alain Dubois教授。该研究工作得到了国家重点研发计划、中国科学院先导专项和国家自然科学基金项目的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.173002

图1：C3+-He碰撞单电子转移到2s2p三重态与单重态截面比R随碰撞能量的变化关系以及与理论计算和其他实验结果的比较

图2：高分辨率反应显微成像谱仪

（兰州重离子研究装置   供稿）