中国科学院近代物理研究所原子物理研究团队与合作者提供了自旋统计假设在高碰撞能量下失效的直接证据。
1996年，天文学家使用伦琴X射线望远镜（ROSAT）发现百武彗星的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来模拟观测到的X射线光谱，从而了解更多有关宇宙的奥秘。
而除了天体物理学领域，与电荷交换有关的原子数据还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。
当科研人员对以上系统及其原子过程进行建模时，传统上，电荷交换中电子布居到量子态的几率被假定为遵循总自旋量子数的统计规则。长期以来，这些纯自旋统计假设对于多领域实验结果的解释具有根本性的重要意义。然而，这些自旋统计假设是否完全合理且具有普适性？对此问题，学界并未达成共识。
近日，近代物理所原子物理中心原子分子结构与动力学研究团队给出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。研究成果于10月22日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。
这项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+离子，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。
在以往实验研究中，直接获得自旋统计分布存在较大困难。由于此前一般采用俄歇电子谱仪方法，主要针对电子俘获随后发生俄歇退激的过程，需要复杂的计算和设备刻度才能获得自旋分辨的截面。同时，不能对纯电荷转移过程进行研究，即俘获反应后没有电子发射。
本研究中，C3+离子因没有长寿命的激发态，且在碰撞区域始终处于基态，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，克服了以往实验中遇到的困难。
图 高分辨率反应显微成像谱仪
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，研究团队证实了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。
图 C3+-He碰撞单电子转移到2s2p三重态与单重态截面比随碰撞能量的变化关系以及与理论计算和其它实验结果的比较。
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；为天体物理太阳风离子X射线研究建模提供了新的实验依据。
未来，更高能量下的测量工作将有望进一步深入理解与自旋统计假设相关的科学问题。
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