相對論能量重離子激光冷卻與精密激光譜學實驗研究取得重要進展
中國科學院近代物理研究所原子物理中心的科研人員在蘭州重離子冷卻儲存環(huán)(CSRe)上首次開展了相對論能量類鋰16O5+離子束的激光冷卻和精密光譜測量實驗。該實驗是目前激光冷卻實驗中離子束能量最高、離子電荷態(tài)最高、躍遷波長最短的實驗,激光冷卻相關(guān)研究成果以Letter形式發(fā)表在Phys. Rev. A上,精密激光譜學實驗成果發(fā)表在Nucl. Instr. Meth. A上。
激光冷卻儲存環(huán)中相對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。相對于已經(jīng)比較成熟的隨機冷卻和電子冷卻技術(shù),儲存環(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程中開展高電荷態(tài)離子的精密激光譜學研究。
基于重離子加速器開展高電荷態(tài)離子精密激光譜學實驗、檢驗基本物理定律是當前原子物理的重要研究方向之一。然而受到現(xiàn)有重離子儲存環(huán)的離子束能量和實驗室可用激光波長的限制,目前國際上只開展了少數(shù)幾個低電荷態(tài)離子的激光冷卻和精密激光譜學實驗。
近期,近代物理所、西安電子科技大學、德國亥姆赫茲重離子研究中心、達姆工業(yè)大學和亥姆霍茲德累斯頓中心的科研團隊,利用一束220 納米連續(xù)激光成功在CSRe上實現(xiàn)了相對論能量為275 MeV/u的類鋰16O5+離子束的激光冷卻和精密譜學實驗。激光冷卻后的離子束縱向動量展寬比電子冷卻后的離子束縱向動量展寬降低一個數(shù)量級,是目前CSRe上獲得的“最冷離子束”。
為了全面理解激光冷卻實驗結(jié)果,研究團隊發(fā)展了儲存環(huán)單粒子追蹤模擬方法,完成了激光冷卻束團束肖特基頻譜動力學過程的模擬工作,首次發(fā)現(xiàn)束團束的相干成分會對肖特基譜產(chǎn)生重要影響,并解釋了激光冷卻實驗的觀測結(jié)果,為下一步研究超冷離子束動力學和精密激光譜學實驗奠定了基礎(chǔ)。
在激光冷卻實驗的基礎(chǔ)上,科研人員首次基于肖特基頻譜方法開展了儲存環(huán)CSRe上類鋰16O5+離子2S1/2-2P1/2?能級躍遷精密測量。實驗中通過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方法,該新方法可極大地提高對于快速率躍遷測量的靈敏度,是目前CSRe上開展的首個重離子精密激光譜學實驗。
以上實驗結(jié)果得到了國際同行的高度關(guān)注,為進一步開展重離子冷卻儲存環(huán)精密激光譜學實驗奠定了基礎(chǔ)。隨著超短極紫外波長、高重頻超短脈沖等先進激光技術(shù)的快速發(fā)展,未來有望在CSRe上和強流重離子加速器(HIAF)上開展更多高電荷態(tài)離子激光冷卻和精密激光譜學實驗,并在精密譜學實驗精度和實驗方法上獲得突破,高精度檢驗量子電動力學等基本物理理論。
該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和中國科學院青年創(chuàng)新促進會以及德國自然科學基金的支持。??
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的實驗裝置圖。(圖/汶偉強)
圖2. 激光冷卻16O5+離子束團束動力學過程的實驗測量的肖特基頻譜與理論模擬的對比。(圖/汪寒冰)
圖3. 精密激光譜學實驗結(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)
(原子分子結(jié)構(gòu)與動力學室 供稿)
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