激光冷卻儲(chǔ)存環(huán)中相對(duì)論能量的重離子束是最有希望得到高相空間密度離子束、實(shí)現(xiàn)離子束相變并且獲得有序束和晶化束的一種方法。相對(duì)于已經(jīng)比較成熟的隨機(jī)冷卻和電子冷卻技術(shù),儲(chǔ)存環(huán)上重離子束的激光冷卻可以將離子束冷卻到極低溫度(mK),并且可以在激光冷卻過(guò)程中開展高電荷態(tài)離子的精密激光譜學(xué)研究。
基于重離子加速器開展高電荷態(tài)離子精密激光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)、檢驗(yàn)基本物理定律是當(dāng)前原子物理的重要研究方向之一。然而受到現(xiàn)有重離子儲(chǔ)存環(huán)的離子束能量和實(shí)驗(yàn)室可用激光波長(zhǎng)的限制,目前國(guó)際上只開展了少數(shù)幾個(gè)低電荷態(tài)離子的激光冷卻和精密激光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)。
近期,近代物理所、西安電子科技大學(xué)、德國(guó)亥姆赫茲重離子研究中心、達(dá)姆工業(yè)大學(xué)和亥姆霍茲德累斯頓中心的科研團(tuán)隊(duì),利用一束220 納米連續(xù)激光成功在CSRe上實(shí)現(xiàn)了相對(duì)論能量為275 MeV/u的類鋰16O5+離子束的激光冷卻和精密譜學(xué)實(shí)驗(yàn)。激光冷卻后的離子束縱向動(dòng)量展寬比電子冷卻后的離子束縱向動(dòng)量展寬降低一個(gè)數(shù)量級(jí),是目前CSRe上獲得的“最冷離子束”。
為了全面理解激光冷卻實(shí)驗(yàn)結(jié)果,研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了儲(chǔ)存環(huán)單粒子追蹤模擬方法,完成了激光冷卻束團(tuán)束肖特基頻譜動(dòng)力學(xué)過(guò)程的模擬工作,首次發(fā)現(xiàn)束團(tuán)束的相干成分會(huì)對(duì)肖特基譜產(chǎn)生重要影響,并解釋了激光冷卻實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)結(jié)果,為下一步研究超冷離子束動(dòng)力學(xué)和精密激光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。
在激光冷卻實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,科研人員首次基于肖特基頻譜方法開展了儲(chǔ)存環(huán)CSRe上類鋰16O5+離子2S1/2-2P1/2?能級(jí)躍遷精密測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)縱向肖特基頻譜確定了激光與重離子束間的共振,相較于常用的熒光探測(cè)方法,該新方法可極大地提高對(duì)于快速率躍遷測(cè)量的靈敏度,是目前CSRe上開展的首個(gè)重離子精密激光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)。
以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了國(guó)際同行的高度關(guān)注,為進(jìn)一步開展重離子冷卻儲(chǔ)存環(huán)精密激光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。隨著超短極紫外波長(zhǎng)、高重頻超短脈沖等先進(jìn)激光技術(shù)的快速發(fā)展,未來(lái)有望在CSRe上和強(qiáng)流重離子加速器(HIAF)上開展更多高電荷態(tài)離子激光冷卻和精密激光譜學(xué)實(shí)驗(yàn),并在精密譜學(xué)實(shí)驗(yàn)精度和實(shí)驗(yàn)方法上獲得突破,高精度檢驗(yàn)量子電動(dòng)力學(xué)等基本物理理論。
該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)以及德國(guó)自然科學(xué)基金的支持。
文章鏈接:https://doi.org/10.1103/PhysRevA.110.L010803
https://doi.org/10.1016/j.nima.2024.169496

圖1. 儲(chǔ)存環(huán)CSRe上開展能量為275 MeV/u類鋰16O5+離子束激光冷卻和精密激光譜學(xué)的實(shí)驗(yàn)裝置圖。(圖/汶偉強(qiáng))

圖2. 激光冷卻16O5+離子束團(tuán)束動(dòng)力學(xué)過(guò)程的實(shí)驗(yàn)測(cè)量的肖特基頻譜與理論模擬的對(duì)比。(圖/汪寒冰)

圖3. 精密激光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果:電子冷卻下16O5+離子束與220 納米激光作用后的肖特基頻譜。(圖/陳冬陽(yáng))
(蘭州重離子研究裝置 供稿)