离子束与等离子体相互作用是高能量密度物理、聚变科学以及天体物理等重大领域的基础前沿课题，同时也在加速器、航天和医疗相关的等离子体技术领域有重要研究价值。离子束与等离子体相互作用涉及复杂的量子多体动力学过程，尤其当离子束能量较低或等离子体密度较高时，体系中离子、电子、光子的相互耦合作用极强，涉及电离、复合、激发、退激等多种复杂原子过程，相关理论建模和参数可靠性亟待检验；另一方面，由于低能离子在等离子体中的散射作用相对较强，真空束线内等离子体维持时间较短，粒子探测本底较大等原因，实验难度极大、高精度能损数据十分缺乏。

西安交通大学物理学院赵永涛教授团队联合中国科学院近代物理研究所、北京应用物理与计算数学研究所、咸阳师范学院、俄罗斯理论与实验物理研究所、俄罗斯国立核研究大学等合作团队依托兰州重离子加速器大科学装置（HIRFL），在离子束与等离子体相互作用基础研究领域取得进展。相关成果以“离子束与等离子体作用过程中激发态贡献的基准实验证据（Benchmark Experiment to Prove the Role of Projectile Excited States Upon the Ion Stopping in Plasmas）”为题，于2021年3月15日在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上在线发表；西安交通大学赵永涛教授为论文第一作者和通讯作者，博士生张艳宁承担理论计算任务为第二作者；中科院近代物理研究所程锐副研究员及北京应用物理与计算数学研究所何斌副研究员为论文共同通讯。

图1、(a)实验装置示意图，（b）实验测量的能损值（EXP.）与考虑不同原子态（包括基态n=1与不同激发态n=2-10）以及所有重要原子过程的理论计算能损值（RE_n）的对比

研究团队借助HIRFL大科学装置提供的低能强流离子束，突破均匀放电等离子体的制备及其真空对接、高本底离子信号超快获取、高精度能损测量等关键实验难题，获得了100keV/u量级离子束在等离子体中的高精度能损数据（测量精度好于5%），推翻了等离子体领域长期使用的有效电荷理论模型（低估20%左右）；另外，实验中采用氦离子束和氢等离子体的组合，使得理论计算涉及的激发态和作用过程大幅简化，从而验证了基于第一性原理的量子物理模型。实验方案和主要数据如图1所示。

该工作通过高精度实验使人们对复杂等离子体过程认识迈出了坚实的一步，证明了离子激发态对离子在等离子体中电荷交换和能损过程的重要影响，这种影响往往被人们所忽略，例如量子力学开创者Bohr与本领域著名学者Lindhard就认为“由于氦离子激发态的电子束缚能较低，激发态对其电离和俘获平衡过程的影响微不足道(the effect (on balance between loss and capture forα-rays) will in general be of minor importance due to the small electron binding in excited state)”[N. Bohr and J. Lindhard, Dan. Mat. Fys. Medd. 28 (1954) 602]。

该研究成果也说明，大科学装置为研究物质世界基本科学问题提供了重要工具，相关基础科研创新需要大力协同、久久为功。

该研究工作是西安交通大学激光与粒子束科学技术研究所在等离子体物理领域发表的又一研究成果，研究团队得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、国防基础科研科学挑战专题、西安交通大学青年拔尖人才计划及自主创新能力提升计划等项目的资助。

论文链接https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.115001

赵永涛教授主页http://zhaoyongtao.gr.xjtu.edu.cn