相對論能區高電荷態離子測量氦團簇結構研究獲進展

近日，中國科學院近代物理研究所科研人員與合作者在理論上論證了利用加速器產生的相對論高電荷態離子探測氦團簇（⁴He₂）結構的可行性。相關研究成果發表在Physical Review Letters上。

氦團簇是自然界中特殊的二聚體分子，其束縛能小（10^-7eV）並具有宏觀尺度的分子軸長度（最長可達0.02μm）。這一特徵使該團簇分子成為一種獨特的宏觀量子系統：分子80%的情況下處於經典物理不允許的量子“隧穿區”，同時宏觀尺度的結構使其呈現出較強的卡西米爾-博爾德相對論效應，因此圍繞該團簇開展的研究長期是交叉領域研究熱點。然而，自從上個世紀二十年代科學家預言了該分子的存在後，直到上個世紀末（1993-1994）人們才首次在實驗上觀測到它。儘管如此，由於該分子過於“巨大”，傳統方法不能對團簇兩個中心同時作用，即無法在瞬間將該團簇製備至解離態上，只能通過後續的級聯反應將其製備至解離態。這將導致團簇結構的弛豫，因此迄今為止尚無有效實驗手段對其進行結構測量。

近代物理所科研人員與德國杜塞爾多夫大學合作提出利用高能重離子庫侖場在運動方向上的“壓縮”以及垂直方向的“延伸”這一相對論效應，實現對該“宏觀”分子兩個原子中心的同時（超快）作用，進而避免了由於資訊傳遞遲滯導致的分子結構弛豫，為分子結構的正確測量提供了保障。理論研究表明，當高電荷態離子（例如U⁹²⁺）的能量達到2GeV/u時，由於其運動產生的畸變庫侖場可同時覆蓋氦二聚體團簇的兩個原子中心（見下圖）。在該情形下，氦二聚體團簇兩個原子中心被“同時”電離的機率極大增加併成為主導反應過程。透過對庫侖爆炸後碎片動量的測量即可反推出碰撞瞬間的分子結構。該方法可應用於其他大分子結構的測量上，為相關實驗的開展奠定了理論基礎。

研究工作得到國家重點基礎研究發展計劃的支援。

不同能量重離子相對論效應下庫侖場能覆蓋的空間尺度與氦團簇物質波分佈的關係

來源：中國科學院近代物理研究所