习近平总书记指出：“科学研究向极宏观拓展、向极微观深入、向极端条件迈进、向极综合交叉发力，不断突破人类认知边界。”量子力学与相对论作为现代物理学的两大支柱，不仅深刻揭示了物质世界最本质的自然规律，也为人类文明进步筑牢了坚实的科学根基。随着基础科学研究向“四极”前沿发展，人们对量子力学和相对论的认识也在不断深化和拓展。
高电荷态重离子为检验极端强场条件下量子电动力学效应和相对论多体理论提供了绝佳手段和环境。例如，类氢U离子（U91+）的1s电子感受到的平均电场强度约为2*1016V/cm，比当前最强激光（约1022W/cm²）对应的峰值电场强度高4个量级。随着超强激光及大型重离子加速器大科学装置的相继建设和高精密观测技术的发展，极端强场条件下相关物理研究正孕育着新突破。
近期，西安交通大学物理学院联合激光聚变研究中心、西北师范大学等单位组建联合研究团队集中攻关，依托“星光”强激光大科学装置制备了极端高温、高密、高电离态的金等离子体；利用高精密光谱测量技术获得了高电荷态金离子（Au45+–Au57+）的极紫外高分辨特征光谱数据；结合高精度理论计算方法，定量揭示了量子电动力学效应（Quantum Electrodynamics）、相对论效应（体现于Breit Interaction）及多体关联效应（Electron Correlation）对高电荷态金离子能级结构的重要影响。该工作解决了国际上对类铜高电荷态Au离子原子结构长达40年的争议，厘清了极端强场条件下不同物理效应对原子结构的贡献，为原子物理、强场物理、聚变及天体等离子体物理关键参数测量和相关物理模型检验提供了新路径。
相关研究成果以“Quantum Electrodynamics, Breit Interaction, and Electron Correlation in Cu-like Au Ions from Laser-Produced Plasma”（高功率激光驱动的高电荷态金离子中QED效应、Breit相互作用和电子关联的观测）为题，于2026年4月10日在《物理评论快报》（Physical Review Letters 136（2026）143201）上在线发表。西安交通大学马步博助理教授、任洁茹教授和激光聚变研究中心王少义副研究员为论文共同第一作者，西安交通大学任洁茹教授和赵永涛教授、西北师范大学颉录有教授、激光聚变研究中心周维民研究员为论文共同通讯作者。该工作得到国家重点研发计划（批准号2022YFA1603300）、国防基础科研核科学挑战专题项目（批准号TZ2025012）、国家自然科学基金委（批准号12422512、12595365、U2541245、12120101005）等项目的支持。
图(a)实验装置示意图；(b)-(c)考虑电子关联后，QED效应、Breit相互作用、有限核修正对类铜金离子4s-4p和4d-4f跃迁波长的贡献对比
物理学院赵永涛、任洁茹教授团队长期从事基于加速器和强激光大科学装置的高能量密度物理前沿基础研究，在离子束与等离子体相互作用微观机制、强流离子束与稠密物质作用中的非平衡动理学效应、离子束驱动高能量密度物质的产生和发展规律等关键科学问题取得了系列创新成果，组织和推动了国家医学中心首台套医用超导重离子装置的建议、论证和实施工作。近五年主持科技部重点研发计划、基金委重点项目、国防挑战计划等项目10余项，在PRL、NC、ApJ等期刊发表高水平学术论文30篇，主办或承办国内外系列学术会议6次，提升了物理学科的国际影响力。
西安交通大学激光与粒子束科学技术所成立于2015年，研究方向主要包括核物理与聚变等离子体物理，超快量子反应动力学，相对论激光与强场物理，以及激光与粒子束科学技术在医疗、能源、国防等领域的应用。研究所现有教职工20余人，其中7人入选国家领军学者和青年领军学者。研究所近几年承担国家级重点项目和课题10项、重点军工类项目5项、组建校企联合体4个，在Nature Physics、Nature Communications、Nature Chemistry、Physical Review Letters等顶尖期刊发表论文20余篇（https://istlpb.xjtu.edu.cn/）。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/6qn5-7rm8
