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【科技自立自强】物理学院2025年开年连发四篇PRL
在分子间双重库仑衰变机制研究等领域取得重要突破

日期：2025-03-04 09:44 浏览量：

2025年开年以来，物理学院在国际物理顶级期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters，简称PRL)连续发表四篇具有深远影响的学术论文，充分展示了学院在基础科学相关领域的研究水平，为基础学科高质量发展注入了强劲动力。

近年来，物理学院科研人员面向国际科技前沿，主动对接国家重大需求，产出了一系列有国际影响力的研究成果。学院任雪光、栗建兴、王喆教授团队分别在分子间双重库仑衰变机制研究、相对论电子激发原子核巨共振、相对论轻子束自旋操控、二维磁性半导体器件等方面相继取得重要突破。这些研究成果既提出了创新性的理论模型，还在实验上取得了突破性进展，为相关领域的深入探索和发展奠定了坚实基础，也为新技术的突破提供了新的研究思路。

任雪光教授团队通过研究分子间双重库仑衰变机制揭示生物辐射损伤新路径

电离激发态分子的弛豫机制是物理、化学、材料和生物等学科领域关注的前沿科学问题。对于孤立的激发态分子，可以通过荧光发射、俄歇自电离或解离等方式弛豫。在生物组织、功能材料和化学溶液等凝聚相物质中，分子并不是孤立存在的，而是处于一个复杂的化学环境中。分子间弱相互作用的存在使得激发态分子可以通过电子轨道耦合或电子交换等效应开启新的能量弛豫通道，即分子间能量转移，导致激发态分子在孤立和聚集状态下展现出截然不同的弛豫机制。

任雪光教授团队与合作者建立了电子碰撞和强场飞秒激光电离相结合的实验方案，发展生物分子团簇束源技术、多粒子符合动量成像方法，在实验上揭示了生物分子二聚体分子间双重库仑衰变机制（double intermolecular Coulombic decay, dICD，图1）：以苯二聚体为例，苯二聚体中一个分子发生内壳层电离后，该分子的外价层电子填充内壳层空穴，释放的能量传递到相邻分子使其双电离，随后发生三体解离。通过对比电子碰撞和强场飞秒激光实验中多个解离通道的产率，发现dICD增强了分子开环解离产率。进一步对水合苯二聚体，吡啶二聚体和水合吡啶二聚体的实验表明，dICD诱导的增强解离是一种普遍现象。这些结果证明了虚拟光子近似理论在当前体系中的可行性，即分子间能量转移可以视为一个单光子传递过程。随着邻近分子数量的增长，dICD发生概率将进一步提升，因此在凝聚相物质中，dICD将发挥更加重要的作用。此外，相较于分子间库仑衰变(ICD)过程，dICD过程产生了更多的低能二次电子和离子自由基，能够导致更加严重的辐射损伤，这为解析生物辐射损伤效应提供了新的物理机制。

图1 电子碰撞诱导苯二聚体分子间双重库仑衰变（dICD）机制示意图

物理学院为论文第一完成单位，博士生郝鑫泰、薛晓睿为论文共同第一作者，任雪光教授、周家琪助理教授为论文共同通讯作者。参与此工作的还有西安交通大学赵永涛教授，吉林大学丁大军教授、罗嗣佐教授和王春成教授等。该工作得到国家自然科学基金、国家博士后科学基金、陕西省自然科学基础研究计划等项目支持。

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.033001

栗建兴教授团队在相对论电子激发原子核巨共振研究方面取得重要进展

栗建兴教授团队与兰州大学核科学与技术学院牛一斐教授团队合作，针对核物理中长期存在的电子激发核巨共振中的角动量转移机理难题，发展了一种角动量分辨的非弹性散射理论，提出了基于电子探针调控原子核巨多极共振的新方案，为传统核结构研究提供了新的视角。

原子核巨共振由核内核子集体运动所引起，其不仅在核结构研究中具有基础性作用，而且可以作为约束核状态方程的手段，从而对理解超新星爆炸和中子星结构等一系列天体物理过程至关重要。然而，实验研究仍面临重大挑战，现有探针难以有效激发具有更高多极性的同位旋矢量巨共振。电子散射是目前的主要实验手段，但由于实验探针的多极选择性不足以及数据提取的模型依赖性过强，其获得的跃迁强度和共振宽度等关键参数的不确定度较大。

图2 平面波电子（a）和涡旋电子（b）激发原子核的示意图

该工作基于准粒子无规相位近似模型，将电子的轨道角动量引入传统理论框架中，发展了角动量分辨的非弹性散射理论。研究发现，无论平面波还是涡旋电子激发巨共振，散射电子的角动量状态均与原子核磁量子数M相关联，通过精确测量散射电子态，可实现多极共振跃迁强度的模型无关提取。此外，平面波电子激发巨共振可有效产生具有轨道角动量的涡旋电子；而涡旋电子激发巨共振的微分散射截面与碰撞参数的依赖关系，为探测相对论高能涡旋电子的角动量提供了新方法。该研究揭示了轨道角动量在调控核跃迁中的关键作用，为核结构的理解开辟了新的视角，并为高能涡旋电子的产生和探测提供了新的可能性，激发了对涡旋电子应用的深入探索。

物理学院为论文第一完成单位，西安交通大学博士研究生卢知为和兰州大学博士研究生郭亮为论文共同第一作者，牛一斐教授和栗建兴教授为论文共同通讯作者。南开大学吴远彬教授和西北核技术研究所翁秀峰研究员也深入参与该研究工作。该研究工作得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划、中物院激光聚变研究中心、陕西基础科学（数学、物理）研究院、中核集团创新科学计划、理论物理专款上海核物理理论研究中心等项目经费支持。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.134.052501

栗建兴教授团队在相对论轻子束自旋操控方面取得进展

栗建兴教授团队针对相对论轻子束在超快时间尺度下的自旋操控难题，发展了基于太赫兹波导管的相对论轻子自旋演化理论，提出了利用太赫兹波导管实现轻子束超快自旋旋转方案。

相对论自旋极化轻子束在核物理、原子物理、高能物理、材料物理等领域具有重要应用价值。一般来讲，自旋极化可以分为横向极化和纵向极化。对于横向极化轻子束而言，可以利用轻子在存储环中的辐射极化效应、超强非对称激光场以及激光等离子体QED效应等方案产生。相比之下，纵向极化轻子主要通过Bethe-Heitler或Breit-Wheeler过程产生，但这些方法要求高重频来提高极化轻子束的电量，并且其极化率通常较低。因此，在实际操作中，通常先产生横向极化轻子束，然后通过自旋旋转器将其旋转为纵向极化，以便于进行后续的相互作用和实验研究。然而，目前的自旋操控系统主要基于偶极磁铁或螺线管，不仅占地面积大、设计和建造成本较高，而且在操作灵活性以及超快自旋操控方面存在一定限制。

图3 （a）横向极化轻子旋转为纵向极化（b）轻子束与太赫兹波形的时空关系

（c）轻子经历的磁场随时间的演化（d）轻子所受的电场力和磁场力

针对上述关键问题，栗建兴教授团队提出了一种利用太赫兹波导管实现极化轻子束自旋旋转的理论方法。该方法充分利用了太赫兹波导管的独特优势，例如，结构尺寸适中、电磁模式灵活可控、电场击穿阈值高，以及允许粒子束拥有足够大的电荷量等特点，为轻子束的自旋操控开辟了新的路径。研究结果表明，利用太赫兹波导管可以在皮秒尺度内将横向极化轻子束旋转为纵向极化，并且旋转效率可以达到98%以上，如图1（a）所示。通过对波导管结构的设计，可以使轻子束与太赫兹波在波导管传输过程中，保持轻子速度和太赫兹波相速度几乎一致但又略高于太赫兹波群速度，进而保证了轻子在整个相互作用过程中感受到的电磁场方向不发生变化，如图1（b）所示。此外，轻子所受的自旋操控与太赫兹波脉冲包络密切相关，如图1（c）所示。值得一提的是，由于轻子束与太赫兹波同向传播，导致轻子感受到的电场力F_E和磁场力F_B方向相反。当太赫兹波相速度与轻子速度接近时，电场力和磁场力大小也趋于相同，进而相互抵消，有效抑制了轻子束的横向发散。利用太赫兹波导管不仅可以维持轻子束的高束流品质，还能显著降低轻子束能散。这一全新轻子束自旋操控方案为高能粒子束自旋操控提供了崭新视角，有望推动自旋极化粒子束在核物理、原子物理、高能物理、材料物理等领域的广泛应用，拓展更多潜在应用前景。

物理学院为论文第一完成单位，李中鹏助理教授为论文第一作者，栗建兴教授为论文唯一通讯作者。中国科学院上海光学精密机械研究所田野研究员和阿联酋沙迦美式大学Yousef I. Salamin教授也为该工作提供了重要指导。该工作得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划、中物院激光聚变研究中心、中核集团创新科学计划、陕西基础科学（数学、物理）研究院等项目经费的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.075001

王喆教授团队在二维磁性半导体器件方面取得重要进展

自旋过滤效应是指铁磁半导体中不同方向自旋电子的隧穿几率差别巨大，其可产生高自旋极化率的电流，在自旋电子器件方面可以有重要应用。现有二维自旋过滤器以A型反铁磁半导体为隧穿层，虽可实现巨磁阻效应，但其反铁磁基态使得零磁场下一直处于高电阻状态，这种易失性限制了其潜在应用。

针对以上问题，西安交通大学王喆教授团队使用铁磁金属Fe₃GeTe₂和铁磁半导体CrBr₃设计并制作了一种新型的二维混合自旋过滤器。因为两种磁性材料之间没有磁耦合，混合自旋过滤器的出非易失性且磁电阻可达100 %。此外，研究发现偏压可以调控自旋注入的极性从而使隧穿磁电阻发生正负变化。研究团队提出铁磁半导体中自旋极化率的计算方式及扩展的Jullière模型，较为完善地解释了实验观测现象。该研究为开发基于磁性半导体的新型自旋电子器件提供了新方案，有望促进新型非易失性存储器和新型存算一体化的发展。