高分辨率反应显微成像谱仪。中国科学院近代物理研究所供图

近日，中国科学院近代物理研究所的研究团队获得了自旋统计假设在高碰撞能量下失效的直接证据，在离子-原子电荷交换碰撞的自旋统计破缺研究方面取得重要进展。相关研究成果发表于《物理评论快报》。

1996年，天文学家使用伦琴X射线望远镜发现了百武彗星的X射线辐射，这是人类首次探测到彗星发射X射线。此后，对高电荷离子与原子或分子碰撞中电荷交换的研究逐渐成为热点。这是因为天体物理学家需要更多精确的原子数据模拟观测到的X射线光谱，从而了解更多宇宙奥秘。除了天体物理学领域，与电荷交换有关的原子数据也被广泛应用于等离子体物理学、高能X射线激光器开发、热核聚变等领域。

电荷交换中电子布局到量子态的概率被假定遵循总自旋量子数的统计规则。然而，这些自旋统计假设是否完全合理且具有普适性，学界并未达成共识。

该实验在兰州重离子研究装置的低能终端上进行——通过加速C3+，使之与中性氦靶碰撞。研究团队依托自主研发的高分辨率反应显微成像谱仪，对自旋分辨的截面比进行了直接测量。

研究中，C3+没有长寿命的激发态，且在碰撞区域始终处于基态，因而有利于清楚分辨不同自旋过程的贡献。此外，反应显微成像谱仪具有高精度、高灵敏度和高探测效率等特点，使研究团队能够高效、直接地确定碰撞过程中电子捕获瞬间的原子状态，分析潜在机制。

通过直接测量自旋分辨的截面比，并与传统的自旋统计分布比较，研究团队证实电子关联在电荷转移中扮演了重要角色，传统自旋统计假设在高碰撞能量下失效。

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，并为探索与原子和分子反应相关的量子操控提供了新视角，也为天体物理太阳风离子X射线建模提供了新的实验依据。

相关论文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.173002

（原载于《中国科学报》 2024-11-04 第3版 综合）