**章 绪论
原子分子与团簇物理是在原子和分子层面上研究物质微观结构、物理性质及其相互作用规律的物理学分支，是认识宏观、介观、纳米尺度物质结构和性质的基础。伴随着21世纪科学技术创新浪潮产生的先进光场作用下原子分子动力学行为及其控制，超冷原子分子的获得、物理性质及其应用，奇异原子分子团簇的构筑、量子效应及其与物质相互作用，极端条件下的原子分子过程，原子分子精密测量物理及其应用，新型高等光源（X射线自由电子激光、阿秒脉冲等）的发展和应用等，均已成为当前学科飞速发展的前沿研究领域，使得原子分子与团簇物理成为当前国际上相当活跃的物理学分支之一。作为一个*特的物质形态，团簇由几个乃至数万个原子或分子组成，构成了连接原子分子与宏观物体的桥梁，研究它们的生成、结构和奇异性质及其向大块凝聚物质的演变规律，对于推动学科基础研究和应用研究的发展起着十分重要的作用。此外，原子分子与团簇物理这些飞速发展的前沿研究领域，使得物理学这一分支学科前所未有地与凝聚态物理、光物理、等离子体物理等物理学分支学科深度交叉，并与化学、天文学、生命科学、环境和材料科学学科相互渗透，正在向能源、航天乃至先进制造等许多高技术领域拓展，具有广泛的应用前景。
近年来，原子分子与团簇物理发展的规律和态势主要包括以下几个方面：
（1）在科学上不断发展、突破，产生了一些新的概念和新的方法。朱棣文（Steven Chu）、克劳德？科恩-塔诺季（Claude Cohen-Tannoudji）和威廉？D.菲利普斯（William D. Phillips）因发展了激光冷却和俘获原子方法获得1997年的诺贝尔物理学奖。之后，埃里克？A.康奈尔（Eric A. Cornell）、沃尔夫冈？克特勒（Wolfgang Ketterle）和卡尔？E.维曼（Carl E. Wieman）在稀薄原子气体中实现了玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensation，BEC），获得2001年的诺贝尔物理学奖。稀薄气体的玻色-爱因斯坦凝聚态被称为实验室实现的“物质的第五态”，目前已经在其中实现了压缩态、约瑟夫森效应等宏观量子特性，并且进一步在实验中实现了超冷简并费米气体，开展了分子凝聚体、原子库珀对凝聚体、集体激发、高温超流形成、声波产生、涡旋形成和铁磁性等研究。超冷原子实验的突破还极大地推动了量子理论从少体到多体研究的发展。另一个重要突破是，塞尔日？阿罗什（Serge Haroche）和大卫？J.维因兰德（David J. Wineland）实现了单量子体系测量和操控实验方法（获得2012年的诺贝尔物理学奖）。这一方法的突破使得单量子体系的研究朝着基于量子物理学而实现构建新型量子计算迈出了坚实的重要一步，同时极其精准的时钟在这一研究的推动下应运而生，有望成为未来新型时间标准的基础。
（2）从实验物理的角度看，各种新型的光源和谱学的技术发展大大地促进了原子分子物理的深入发展，而该学科的发展又为技术进步奠定了坚实的基础。飞秒激光脉冲整形技术（pulse-shaping technique）和飞秒超短光脉冲载波-包络相位（carrier-envelope phase，CEP）可控改变技术等激光光场调控新方法提供了全新的研究改变量，极大地促进了精密物理操控和测量的发展。目前已经能够直接产生脉冲宽度为4飞秒（1飞秒=10-15秒）的激光，通过高次谐波超连续辐射可以获得*短达45阿秒（1阿秒=10-18秒）的光脉冲，利用超短脉冲激光在实验室已获得1022瓦/厘米2的强光场，技术上已经可以达到在原子分子量子动力学过程时间尺度上的超快时间分辨和与原子分子内部相互作用强度可比拟的外场强度。强激光场中自由原子分子产生的高次谐波过程是产生相干短波（真空紫外、软X射线）辐射的有效途径，由此可在实验室平台上（table-top）产生极端波段辐射并开始应用到原子分子物理及其他领域的研究中。国际上以自由电子激光为代表的新一代同步辐射光源大科学装置正在物质科学研究中发挥强大的推进作用，使人们能够探索原子分子的高阶非线性相互作用、内壳层电子强关联过程等，发展出短波强光场中的原子分子物理问题研究领域。
（3）与上述相关联的，新型实用性的超快光源的出现为物质变化的时间分辨动力学研究和原子分子量子态演化过程的控制提供了崭新手段，为人们认识物质内部电子运动动力学及其产生的新现象、新效应、新规律打开了一扇新的大门。例如，阿秒光脉冲技术能够实现对量子态电子演变过程的实时观测，无疑对于原子分子中的电子电离、分子键断裂、相干控制等从时间域上提供了更精确的实验数据和发展了新的理论依据。超快谱学和超快过程研究正在成为物质科学一个新的飞速发展的热点研究领域，超快量子过程的调控仍然是一个富有挑战性的任务。作为一个新课题，发展含时的量子理论和计算方法对理论工作者来说，不仅是一个挑战而且也是一个艰巨的任务。20世纪原子分子结构理论的建立对量子理论发展起到引领作用，可以预期，原子分子量子动态理论的发展也将在21世纪的关于物质动力学的研究中起到先导作用。
（4）作为先进材料制造的构成基元，原子分子团簇在超导、信息存储、逻辑运算、催化、含能及光与光电转换等方面表现出颠覆性的物性。相对于单个原子的极限存储单元来讲，团簇的尺寸相仿，但是在磁矩、温度控制等条件保障方面具有明显的优势。原子分子团簇已经展现出在磁矩、磁各向异性能（magnetic anisotropic energy，MAE）带隙等方面的有希望与常温常压条件相匹配的性能参数，以及超原子多磁性态可能实现超越二进制的多态存储等。这些*特的优点对于推动新型先进材料制造有重要的意义，有望带来新概念器件的曙光。
（5）国家重大需求为本学科提出了亟待解决的基础科学问题，使学科发展与许多高技术领域（惯性约束核聚变、磁约束聚变等离子体、空间物理等）密切关联。高温稠密状态、强外场条件及超冷等状态下碰撞过程的研究，极端条件下的原子分子结构、动力学及其相互作用越来越受到重视并体现出其*特的魅力。超快激光、超强激光、高温高压、极低温等条件带来了物质内部的复杂变化，涉及许多关键且具有挑战性的科学问题，如强耦合、强关联、高阶非线性，远离平衡态问题，复杂多体开放动力学系统特性等，不仅可以探索人类未知领域、带来物理学的飞跃，而且对国家重大需求的相关领域有极其重要的意义，涉及这些方面的基础原子分子离子的信息和大数据只有通过自主研发途径来获取。
（6）随着原子分子物理理论的发展及计算机技术和计算方法的进步，理论计算预测在原子分子物理学中起着重要作用，特别在现代科学技术对复杂原子分子体系的高精度数据需求方面。目前在多组态完全相对论方法及R矩阵方法的原子体系高精度计算、分子及复杂体系（大分子、团簇、纳米颗粒、表面及材料等）的量子从头计算、极端条件（高温稠密、超强外场、超高压、超低温度等）下原子分子状态的计算、超快过程的量子含时薛定谔方程求解等方面都取得了显著进展。
在国家科技创新发展的进程中，我国原子分子与团簇物理近年来展现了很好的发展态势，在相关领域设立了一些重点重大项目，包括“单量子态测量和操控”“精密测量物理”“新型光场调控物理及其应用”“量子调控和量子信息”等。原子与分子物理学科的国家自然科学基金项目申请和获得量连续上升，每年有近四百项各类项目的申请，其中，过去5年共计有7人获得国家杰出青年科学基金项目资助、8人获得国家优秀青年科学基金项目资助及13项重点项目获批。这些也有力地促进了我国原子分子物理学创新科学研究的良好发展，在强场原子分子物理、冷原子分子物理及精密光谱、原子分子动力学量子调控、高离化态离子（highly charged ion，HCI）物理、电子-原子分子碰撞、团簇物理等方面，不断做出在国际学术界产生较大影响的重要工作；在传统的原子分子结构、光谱、碰撞及动力学方面等原有很好的理论研究和长期积累的方向上，实验研究在近年来得到快速的发展，形成了一些具有自己特色的研究方向。
总体来看，与国家基础研究发展及创新驱动科技战略需求相比，原子分子物理学科的规模仍然偏小，急需在学科发展政策上得到进一步关注，给予持续推动和重点支持。原子分子与团簇物理发展中需要关注的主要问题有：①基础原子分子物理问题，包括在原子分子结构和动力学过程中的电子关联、电子-核运动耦合、多体相互作用、非绝热相互作用、共振效应、相干效应、非线性和相对论效应等，以及多体碰撞动力学。②新辐射源与原子分子相互作用问题，包括超快（飞秒、阿秒）激光、超强激光、短波辐射（自由电子激光、极紫外光源）及长波辐射（太赫兹光源）场中原子分子性质及动力学过程，特别是其中所涉及的强相干光源驱动下原子的相干激发和电离过程，高阶非线性过程，以及原子分子的飞秒、阿秒时间尺度下的光谱学及动力学等。③基于冷原子体系对基本物理定律检验、基本物理常数测量等问题，深入研究从而检视现有物理框架的适用极限，通过物理定律的高精度检验和物理常数的精密测量，发现新现象、新物理，推动科学技术的发展。④新型先进材料与器件的原子制造问题，包括发展实现团簇普适的宏量制备的技术和方法，探索实现控制团簇质量及结构的有效途径，从原子层面出发，发展“自下而上”的原子制造技术，实现量子材料特性和量子器件物理的精确调控。⑤国家安全重大需求（惯性约束聚变、磁约束聚变、天体物理、超强和高能激光及物质相互作用等）涉及的原子分子物理问题，包括温、热稠密物质的新物质状态和物理过程，高离化原子态、洞原子态和中空原子态物理，环境强烈耦合的真实原子体系结构和动力学理论等。⑥解决上述问题所需要的相关仪器与方法。例如，极端辐射源产生的物理及装置，包括超快X射线光源、超强相干太赫兹脉冲、相干高次谐波辐射和阿秒光脉冲，以及新型脉冲光源之间的同步技术和由此产生的新泵浦—探测实验技术等；超冷原子分子制备和精密测量技术，特别是冷分子制备技术，同时持续发展原子钟、原子干涉仪、激光干涉仪、超稳激光器、光梳等基于冷原子的方法和技术，建设和利用空间时频平台、空间超冷原子平台等科学实验站等；质量及结构选择的团簇宏量制备技术和基于原子制造的量子器件技术，以及团簇束-表面作用及表征技术；发展含时、多体量子力学理论，高精度相对论量子理论，及其数值计算方法。通过持续和重点关注，在相关领域形成一支国际上有影响力的学科队伍，并以此为基础带动我国原子分子物理学科的快速发展。
第二章 原子分子结构、光谱和碰撞
**节 研究目的、意义和特点
原子分子结构、光谱和碰撞是原子分子物理学的基础研究领域，不同时期、不同实验条件促使人们与时俱进地变换具体研究对象和科学问题，但结构、光谱和碰撞始终是原子分子物理学研究的核心内容。随着能源（特别是托卡马克核聚变、惯性约束聚变）、环境、生物、材料、天文等领域的科学技术发展，人们对精确原子分子数据的需求在增加，随着量子技术、超快光学的发展，人们对在原子分子的空间和时间尺度上观测和控制物质的运动产生了新的追求，这些都为原子分子结构、光谱和碰撞领域的研究增添了无尽活力。经过四十年左右的艰苦努力，中国科学家在电子碰撞能量损失谱、电子束离子阱技术、基于离子加速器的离子光谱和碰撞、基于同步辐射和X射线激光的高能光子散射技术、基于激光加载的高温稠密等离子体光谱技术等实验研究领域取得了巨大进步，相关实验装备和测量精度都进入国际前列。与实验研究同步，相关的理论研究和数值计算能力的建设也有了很大发展。在这个领域开展研究的中国同行使用国际上*先进的计算软件和能力*大的超级计算机，同时在不断推出自主研制的公开发表的计算软件，以满足前沿基础研究和国家重大需求。在这一章里，我们汇集了国内从事相关研究的著名学者就各种工作和熟悉的研究方向撰写的内容，包括电子碰撞能量损失谱、电子束离子阱技术、基于离子加速器的离子光谱和碰撞、基于激光加载的高温稠密等离子体光谱技术等方向，内容涉及国内外在这些研究方向的主要进展及对未来发展方向的建议，具有
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