学科方向总体介绍：

核科学与技术系的原子与分子物理学科方向拥有博士、硕士授予点，是上海市重点学科。依托于核物理与离子束应用教育部重点实验室、上海EBIT实验室，原子与分子物理主攻三大研究方向：天体与聚变等离子体环境中的原子分子物理、原子分子碰撞过程中细致动力学、精密测量物理与量子调控。已经建立了两大自主研发、处于国际领先水平的装置平台，即电子束离子阱(EBIT)装置与等离子体光谱实验平台和高电荷态离子碰撞实验平台，并积极推进原子囚禁与精密测量实验平台的建设。同时，研究团队自主研发了多台特色实验装置，在高电荷态离子物理、原子碰撞等领域位于国际前列。本方向包括研究与技术人员11名，其中国家杰出青年获得者1位，具有正高级职称5位，副高级职称5位。近年来承担国家自然科学基金委重点、联合重点、面上、科技部ITER计划专项和科技部大学科学装置重点研发专项等国家级科研项目，获上海市自然科学二等奖1项。在教学育人方面，所在方向的多门本科生课程（如“核电子学”、“原子物理学”等）获“国一流”、“市一流”本科课程，并获（首批）国家级虚拟仿真教学实验室立项。在本方向学生培养方面，获市级大学科生科竞赛（一等奖）、获首届首届钟扬式好老师奖等。

研究方向：

1. EBIT与等离子体光谱实验平台

宇宙中的原子分子大多以等离子体的形式存在，要认识宇宙中的元素成分，分析他们之间的相互作用过程就需要解析他们所释放出的光谱。此外，等离子体也存在于高温高密度环境中，如可控磁约束聚变和惯性约束核聚变装置内。可控核聚变是最有希望能永久性解决能源问题的方案，但要实现可控核聚变尚有诸多前沿物理问题有待解决。通过原子与分子物理的研究可以揭示等离子体中的相关物理过程，诊断等离子体的温度、密度等关键参数，是具有重大实际意义的研究课题。

上海EBIT装置由复旦大学与中国工程物理研究院共同建设，它是目前国内唯一的高能超导EBIT装置，电子束能量达到150 keV，仅次于美国利弗莫尔国家实验室的EBIT装置。实验室同时开发了低能量EBIT装置和各类光谱测量装置及技术，可以覆盖聚变及天体等离子体中全能段电子能量及全波段光谱探测与分析。当前国际上仅有美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室、德国马普核物理研究所、日本电气通讯大学等3家单位具备相应能力。本研究方向将依托上海EBIT装置深入开展天文、国防、能源发展中亟需的聚变等离子体原子物理过程关键参数、新型诊断技术；积极探索新的研究领域，在基于高电荷态离子的超高精度测量方面开展具有前瞻性的研究工作。

2. 高电荷态离子碰撞实验平台：

高电荷态离子与原子分子碰撞过程广泛存在于聚变等离子体和天体等离子体中，在实验室环境下开展碰撞研究，可以为等离子体环境模拟提供原子参数，同时也有助于我们理解原子分子之间的动力学过程。高电荷态离子碰撞物理实验平台于2016获学校支持并开展自主建设，包括电子回旋共振离子源、自主研制的全动量信息碰撞谱仪和离子碰撞绝对截面测量终端等。本装置可以产生能量在5-150 qkeV的多种高电荷态离子，与国际、国内同类装置相比，对低能和中能区间的原子分子碰撞实验研究进行了很好的补充。

在基金委联合重点项目以及后续科技部重点研发项目的资助下，本装置已用于开展高电荷态离子与原子分子作用过程中的电子俘获绝对截面测量工作以及高电荷态离子与分子碰撞后的分子碎裂机制研究。电子俘获过程在低能区是主要的碰撞机制之一，不仅普遍存在于人造聚变装置的边缘区域中，还在宇宙等离子体环境中的极紫外光和X射线产生机制上扮演着重要角色。对电子俘获总截面和态选择截面的精准测量，既能够加深我们对于电子在高电荷态离子与中性靶碰撞过程中转移机制的理解，也可以为人造太阳工程以及宇宙环境模拟等应用场所提供重要的基础数据支持。另外，对于分子碎裂机制的研究，有助于我们在实验上观测和理解化学分子碎裂的重要动力学过程，例如备受关注的C-H键碎裂过程中质子漫游行为以及H3分子的合成等前沿课题。这些基于高电荷态离子碰撞平台的实验研究，可以让我们更深入地认识离子与原子分子碰撞过程中的细致动力学，同时也为国家原子分子数据库的建设，提供了诸多碰撞体系的重要研究数据。

3. 自旋极化原子研究

原子具有固定大小的自旋角动量和磁矩。它的这个性质可以被用做空间定向以及感知外界的磁场。但是在普通原子气体中，各个原子的自旋取向是随机混乱的，无法提供显著的宏观信号。然而光我们可以利用偏振光和原子的相互作用，让所有原子的自旋也获得同样的取向，也称自旋极化。

基于自旋极化原子的磁强计是目前世界上最灵敏的磁强计，能够感知生物神经的脉冲所产生微弱磁场。基于自旋极化原子的陀螺仪也是世界上最灵敏的微型陀螺仪，可以让飞机导弹等运载工具在没有GPS信号的环境中实现惯性自主导航。为了探索暗物质和验证物理定律的基本对称性，自旋极化的原子还被用来探索四大基本相互作用之外的新力，以及电子的电荷分布是否均匀等重要基本物理问题。

本课题组目前对自旋极化原子的研究的内容包括：

（1）延长原子极化的相干寿命新技术，提高极化原子的测量灵敏度。

（2）突破标准量子极限的方法：由于海森堡不确定性原理，每个原子的自旋方向都存在一个量子不确定范围，称为量子噪声。对大量N个独立原子的平均可以让总自旋的方向不确定性压缩根号N倍，这个测量精确度的极限被称为标准量子极限，目前科学家已经可以触及这个水平。然而如果能在原子之间建立某种量子纠缠，让它们的噪声产生负关联而互相抵消，则理论上最多可以让原子集体的总自旋方向的不确定性在标准量子极限上再降低根号N倍（称为海森堡极限）。如果有1亿个原子，那么理论上可以实现的测量灵敏度要比目前的最好水平还要高一万倍！然而目前最好的技术只能提高2倍左右。在数量如此庞大的的原子中建立和维持这种纠缠极具挑战。

（3）研制亚ft级的超灵敏原子磁力仪，实现脑磁等极弱磁场的测量。

4. 潘宁阱与高电荷态离子精密谱学

高电荷态离子精密谱学是利用精密光谱或质谱分析技术，对高电荷态离子的原子结构与特性进行高精度实验测量的研究方向，对基础物理理论的验证和基本物理常数的确定具有重要价值。此外，精确的原子光谱和原子核质量数据对理解原子与原子核结构、深入分析其中的电子关联效应与原子核效应等方面都至关重要。

潘宁阱是目前最精密的测量原子与原子核参数的实验系统之一，各大原子与原子核物理研究中心均配备有潘宁阱装置。全球近一半的潘宁阱装置位于德国，超过90%分布在欧美国家。我国在潘宁阱装置研发及相关科学研究方面起步较晚，目前缺少大型精密潘宁阱的相关实验系统与相关核心技术。因此，建设精密潘宁阱装置开展高电荷态离子精密谱学研究是原子分子精密谱学领域的重要课题。

根据国内潘宁离子阱精密测量领域的研究现状，研究团队与2022年起在复旦大学支持下开启上海潘宁阱项目建设，先后获国家自然科学基金，科技部重点研发，上海市科委，相关企业基金等支持。目前，研究团队已经实现了多个关键技术和核心部件的自主研制，完成了国内首台潘宁阱原型机建设，为进一步发展大型低温超导高精密潘宁阱以及高精密质谱设备打下基础。未来拟在原子与原子核物理交叉的研究领域做出具有特色的工作，包括：

（1）复基于精密质谱方法测量超长寿命的亚稳态能级。

（2）基于精密质谱探测反应截面极低的稀有核物理过程。

（3）基于电子g因子精密测量检验标准模型理论。