中国科学院近代物理研究所原子物理中心的科研人员在兰州重离子冷却储存环（CSRe）上首次开展了相对论能量类锂16O5+离子束的激光冷却和精密光谱测量实验。该实验是目前激光冷却实验中离子束能量最高、离子电荷态最高、跃迁波长最短的实验，激光冷却相关研究成果以Letter形式发表在Phys. Rev. A上，精密激光谱学实验成果发表在Nucl. Instr. Meth. A上。

激光冷却储存环中相对论能量的重离子束是最有希望得到高相空间密度离子束、实现离子束相变并且获得有序束和晶化束的一种方法。相对于已经比较成熟的随机冷却和电子冷却技术，储存环上重离子束的激光冷却可以将离子束冷却到极低温度（mK），并且可以在激光冷却过程中开展高电荷态离子的精密激光谱学研究。

基于重离子加速器开展高电荷态离子精密激光谱学实验、检验基本物理定律是当前原子物理的重要研究方向之一。然而受到现有重离子储存环的离子束能量和实验室可用激光波长的限制，目前国际上只开展了少数几个低电荷态离子的激光冷却和精密激光谱学实验。

近期，近代物理所、西安电子科技大学、德国亥姆赫兹重离子研究中心、达姆工业大学和亥姆霍兹德累斯顿中心的科研团队，利用一束220 纳米连续激光成功在CSRe上实现了相对论能量为275 MeV/u的类锂16O5+离子束的激光冷却和精密谱学实验。激光冷却后的离子束纵向动量展宽比电子冷却后的离子束纵向动量展宽降低一个数量级，是目前CSRe上获得的“最冷离子束”。

为了全面理解激光冷却实验结果，研究团队发展了储存环单粒子追踪模拟方法，完成了激光冷却束团束肖特基频谱动力学过程的模拟工作，首次发现束团束的相干成分会对肖特基谱产生重要影响，并解释了激光冷却实验的观测结果，为下一步研究超冷离子束动力学和精密激光谱学实验奠定了基础。

在激光冷却实验的基础上，科研人员首次基于肖特基频谱方法开展了储存环CSRe上类锂16O5+离子2S1/2-2P1/2 能级跃迁精密测量。实验中通过纵向肖特基频谱确定了激光与重离子束间的共振，相较于常用的荧光探测方法，该新方法可极大地提高对于快速率跃迁测量的灵敏度，是目前CSRe上开展的首个重离子精密激光谱学实验。

以上实验结果得到了国际同行的高度关注，为进一步开展重离子冷却储存环精密激光谱学实验奠定了基础。随着超短极紫外波长、高重频超短脉冲等先进激光技术的快速发展，未来有望在CSRe上和强流重离子加速器（HIAF）上开展更多高电荷态离子激光冷却和精密激光谱学实验，并在精密谱学实验精度和实验方法上获得突破，高精度检验量子电动力学等基本物理理论。

该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院青年创新促进会以及德国自然科学基金的支持。  

文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevA.110.L010803

https://doi.org/10.1016/j.nima.2024.169496

图1. 储存环CSRe上开展能量为275 MeV/u类锂16O5+离子束激光冷却和精密激光谱学的实验装置图（图/汶伟强）

图2. 激光冷却16O5+离子束团束动力学过程的实验测量的肖特基频谱与理论模拟的对比（图/汪寒冰）

图3. 精密激光谱学实验结果：电子冷却下16O5+离子束与220 纳米激光作用后的肖特基频谱