本站讯（记者 邹芬） 近日，海南大学物理与光电工程学院、理论物理研究中心的博士后王武（第一作者）与中国工程物理研究院研究生院的王旭研究员（通讯作者）合作，在国际权威期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表了题为“类硼铅-205离子中显著的原子核超精细混合效应 (Substantial Nuclear Hyperfine Mixing Effect in Boronlike Pb-205 Ions)”的学术文章[W. Wang and X. Wang, Phys. Rev. Lett. 133, 032501 (2024)]。

通常情况下原子核的性质不会受到核外电子的影响，但是对于内层电子，它可以在原子核处产生强大的电磁场，引起不同原子核态之间的混合，并改变原子核的性质。这个效应被称为原子核超精细混合（nuclear hyperfine mixing）效应。对于钍-229原子核，其第一激发态能量非常低（大约8.4 eV），这使得在类氢钍-229离子中由1s基态电子诱导的超精细混合效应非常显著。该效应导致钍-229原子核的第一激发态寿命由1000秒量级大幅缩减5个数量级变到10毫秒量级。

大家普遍认为超精细混合效应在具有更高激发能的其他原子核中会非常微弱，因此超精细混合效应的研究主要集中在钍-229原子核。但是，通过发展更加完整的理论框架，该论文提出了一种新的超精细混合机制，大大拓展了超精细混合效应的应用范围。已知的超精细混合机制只利用了一个电子态（比如钍-229情况下的1s电子态），而这种新机制利用了两个电子态，如果这两个电子态之间的能量差与原子核能级差匹配的话（同时角动量也匹配），则可能出现显著的超精细混合效应。基于这个新的机制，该研究预测在类硼铅-205离子（铅-205的77价离子）中，由于2p电子的1/2和3/2态能量差（2,356 eV）与该原子核第一激发态能量（2,329 eV）相近，将产生显著的超精细混合效应。计算结果表明，超精细混合效应会导致该原子核第一激发态寿命从原来的15分钟缩短4个数量级，降至32毫秒。

与光学谐振腔能够改变原子态寿命的机制类似，超精细混合效应可以解释为核外电子扮演了光学谐振腔的角色，导致原子核态被电子态“缀饰”。当“电子谐振腔”与原子核近共振时，原子核态的寿命被显著改变了。超精细混合效应大大缩短了原子核态的寿命，同时也大大增强了光与原子核之间的有效耦合，提升了原子核的光激发效率。这对激光核物理这一新兴交叉学科具有重要价值，有助于促进先进激光光源（例如强激光和X射线自由激光等）与原子核相互作用的研究。

左边：裸铅-205原子核的基态和第一激发态，第一激发态寿命为15分钟，衰变通道是电四极（E2）跃迁；中间：类硼铅-205离子的超精细结构。不考虑超精细混合效应，原子核第一激发态寿命没有显著改变；右边：考虑超精细混合效应后，类硼铅-205离子中原子核第一激发态寿命缩短到了32毫秒，同时禁戒的磁偶极（M1）跃迁被打开了。

Physical Review Letters是美国物理学会旗下的期刊，创立于1958年。该期刊专注于发表物理学领域的具有潜在高影响力的研究成果，涵盖主题包括量子信息与科技、宇宙学、天体物理与引力、粒子与场论、原子核物理、原子和分子物理、光学、等离子体与太阳物理、加速器与束流物理、凝聚态物质与材料、统计物理与复杂系统、化学物理、软物质与生物物理等。该期刊为中国科学院分区一区TOP期刊，2023年影响因子为8.1。

文章链接：

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.133.032501