低能电子-离子散射过程中的Breit效应理论研究

The highly charged ions (HCI) often exist in high temperature plasmas. The study of the interactions between the electrons and HCI should be very useful for many research programs, such as astrophysics research programs, fusion energy research programs and so on. The Breit interactions represent the corrections of the electron-electron Coulomb interactions due to the exchange of virtual transverse photons, which mainly scale as the cubic of the ionization degree Q. Therefore we can expect the Breit interactions should play an important role in the related dynamical processes of HCI systems. Based on our developed relativistic eigenchannel R-matrix method, we will study the Breit effects in the low-energy electron-ion scattering processes. We will elucidate the influence of Breit interactions on the energy positions of the resonant states, the line shapes, photon angular distributions etc. in the related scattering processes, which can help us understand more physics behind the Breit interactions. The developed calculation method can also serve to explain the precision measurements performed in advanced storage rings and EBIT facilities built for HCI studies. Therefore the results of present research can meet the requirements in stages of precision physics for astrophysics and energy researches.

高离化态原子大量存在于高温等离子体环境中，研究其与电子间的相互作用对于天体物理研究以及未来能源重要的聚变能研究具有重要意义。Breit相互作用主要代表了由于交换横场虚光子而对电子-电子间库伦相互作用所产生的修正，它大致随离化度Q^3标度，因此预期会在高离化态离子相关动力学过程中起到重要作用。在我们前期发展的相对论本征通道R矩阵计算程序基础上，我们将研究Breit相互作用在低能电子与离子散射过程中的作用，从而系统阐明高离化态体系中Breit相互作用对低能散射过程共振能级位置、共振线型以及光子角分布等的影响，加深对Breit相互作用物理含义的理解。我们发展的理论方法可以为解释储存环和电子束离子阱(EBIT)等研究高离化态原子的大型实验装置中的精密实验测量提供更好的理论工具，进而满足如天体物理、惯性约束聚变等重大科学研究领域中对高离化态原子相关精密原子参数的需求。

面向天体物理、惯性约束聚变研究中所需的精密原子参数开展相关研究，聚焦在离化态原子体系中的多体关联效应，尤其是Breit（延迟）效应等高阶量子效应，以及等离子体环境对离化态原子结构的影响。在前期发展的相对论本征通道R矩阵方法和程序R-R-eigen的基础上，我们进一步在作用域内区考虑Breit效应的影响，从而可以在离化态原子能级（共振）结构和相关低能电子-离子散射的计算过程中考虑Breit效应的影响。同时，我们发展相关计算程序，可以基于R-R-eigen程序计算得到的动力学约化矩阵元计算激发态离子辐射角分布和光子极化等信息，为相关应用建立了良好的基础。在理论的实际应用中，初步总结了Breit效应在高离化态原子体系中产生较强影响的基本条件。我们据此预言了Breit效应可能对类Li和类B离子体系共振态的强电偶极辐射跃迁过程产生显著影响，该效应随后被相关电子束离子阱(EBIT)实验所证实。我们在研究中还注意到在高离化态原子体系中由于离子强库伦势的影响，同壳层内的电子关联效应可能会显著增强，这扩展了人们对于“高离化态体系电子关联效应不重要”的传统认知，并对解释重离子加速器冷却储存环Ar13+离子双电子复合实验与扭曲波理论间的显著差异提供了帮助。我们在与离化态原子密切相关的等离子体环境效应方面开展了一些探索，利用发展的Debye屏蔽模型研究了离化态原子束缚-束缚跃迁的能量和振子强度，总结了稠密等离子体环境中这两个物理量的标度变化规律，为相关领域可能的应用奠定了基础。另外，我们还将发展的理论和数值方法延拓到冷原子碰撞领域，通过与实验组合作，成功展示了一种利用原子自旋调控原子间相对运动从而实现从两个单原子相干合成分子的新机制。