近日，南方科技大学物理系、核物理与核天体物理中心（CNAP）陈洁助理教授课题组联合美国阿贡国家实验室以及密歇根州立大学研究团队，利用美国稀有同位素装置（FRIB），在硅同位素链的自旋轨道劈裂研究中取得的重要进展。相关成果以“Evolution of the nuclear spin-orbit splitting explored via the 32Si(d,p)33Si reaction using SOLARIS”为题，发表在学术期刊 Physics Letter B 上。

自旋-轨道耦合是量子物理学中的一种现象，涉及到粒子的自旋和其轨道运动的相互作用。这种效应在许多领域都有重要作用，例如凝聚态物理、分子物理、原子物理以及原子核物理等。在凝聚态物理中，自旋-轨道耦合对材料的电子结构和性质有重要影响，比如磁性、电导性、光学性质等。在原子核中，自旋-轨道耦合效应被用于解释原子核的“幻数”（magic number）问题。一个中子或者质子在原子核中有两种可能的自旋方式：自旋向上或者自旋向下。原子核中的自旋运动与轨道运动结合，被统称为总角动量。当轨道运动和自旋运动一致时，总角动量会达到最大值，粒子能量会减少。相反地，如果轨道运动和自旋运动相反时，粒子能量则会增加。而“幻数”对应所有此类能级转变之间的最大能隙，给定出核壳层终结和开始的边界。物理学家Maria Mayer、Hans Jensen 与 Eugene Wigner 因此项发现获得了1963年诺贝尔物理学奖。

图1 （a）理论预测Si的同位素由于质子1s1/2轨道空缺而可能存在“气泡核”的结构，因此被认为导致自旋轨道劈裂的突然降低；（b）Si同位素附近的自旋轨道劈裂演化趋势光滑，并可被原子核弱束缚效应所解释，不符合对质子“气泡核”结构的预测

实验上通常使用核反应的方法对原子核的壳层结构进行追踪，而超导螺线管探测装置是测量原子核反应的先进实验装置。此装置通过在磁场中使用硅探测器阵列测量核反应产生的带电粒子的能量和位置，从而利用带电粒子在磁场中的偏转实现对核反应的高精度测量，目前，此装置已达到类似实验方法的国际最优水平。阿贡国家实验室首先提出并建设了超导螺线管的首代装置 HELIOS，而后，陈洁博士与阿贡国家实验室合作，在美国 FRIB 放射性束流线装置上建设了新一代超导螺线管装置 SOLARIS。同时，欧洲核子中心的 ISOLDE 束流线也进行了类似装置（ISS）的建设。由此看来，类似装置在世界范围内的放射性束流线上已被广泛规划建设，这也将助力我国新一代束流装置BRIF、HAIF 和 BISOL 的核反应实验测量，促进我国核物理实验研究的发展。

图2 1963年诺贝尔物理学奖：原子核壳层结构以及其提出者，红色方框内为自旋轨道劈裂所对应的壳层结构

本研究利用新一代装置 SOLARIS 进行32Si(d,p)33Si反应测量，是此新装置上的首个实验结果。实验得到了33Si激发态能级和单粒子强度，确定了1p3/2和1p1/2中子单粒子轨道能级。结合已有数据，文章研究了N=17,19,21同位素链中1p轨道自旋-轨道分裂随结合能减小的平滑变化趋势，从而对近年来领域内广泛关注的质子“气泡”核问题展开深入分析，结果表明不支持质子“气泡”结构的存在。该工作通过单核子转移反应实验系统地映射这一区域的自旋-轨道分裂的演化情况，为人们理解弱束缚原子核及天体中重元素的形成提供了重要的视角。

陈洁为论文的第一作者和独立通讯作者，南方科技大学为论文的第一单位。本研究得到了稀有同位素装置后加速束流线ReA6、阿贡国家实验室等部门的基金支持。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.physletb.2024.138678