低温储存环中D2H+的解离复合动力学：天体化学与等离子体物理的新基准

研究人员针对星际介质和等离子体中分子离子解离复合(DR)速率争议问题，利用海德堡低温储存环(CSR)首次实现了D2H+量子态选择性的DR测量。通过结合多通道量子缺陷理论(MQDT)和主方程模型，发现低温下DR速率较室温数据降低3倍，解决了H3+同位素体理论预测与实验的长期矛盾，为星际氘分馏模型提供了关键参数。

　　

在宇宙星云深处和实验室等离子体中，分子离子与电子的解离复合(Dissociative Recombination, DR)过程如同微观世界的"拆弹专家"，通过瓦解带电分子来维持电离平衡。其中三角构型的H₃⁺及其氘代同位素体D₂H⁺，作为星际化学网络的"核心催化剂"，其DR速率争议已持续数十年——室温储存环测量结果比理论预测高10倍，而低温等离子体实验又显示不同同位素体间无明显差异。这种矛盾如同笼罩在天体化学模型上的乌云，直接影响着对星际氘富集机制的理解。

研究团队选择D₂H⁺作为突破口，这个拥有0.48德拜永久偶极矩的分子可在低温储存环(Cryogenic Storage Ring, CSR)中通过辐射冷却实现量子态纯化。海德堡CSR的嵌套真空系统将内腔温度降至6K以下，配合0.72米电子冷却器，首次实现了对旋转量子态J<3的D_{2H⁺的态选择性DR测量。}

关键技术包括：1）利用CSR实现离子束的长期储存（>1000秒）和辐射冷却；2）速度匹配电子束技术进行能量分辨的DR测量；3）包含5万种状态的主方程模型模拟粒子数演化；4）多通道量子缺陷理论(MQDT)计算态特异性DR截面。

实验结果

1. 1.

   内部冷却动力学：主方程模拟显示，储存1000秒后80%粒子数集中于基态（正交-0₀₀和仲-1₀₁态），较初始3000K热分布实现显著纯化。

1. 1.

   态特异性DR速率：理论计算揭示正交态DR截面比仲态高3倍，在1-500 meV能区出现明显共振结构。实验测得1000秒储存后的合并束速率系数α^mb与态加权理论曲线高度吻合。

2. 2.

   低温速率系数：转换得到的动能温度速率系数α^k显示，在100K时DR速率较室温数据低3倍，与早期辉光放电实验一致，但排除了三体效应干扰。

讨论与意义

该研究通过量子态纯净的D₂H⁺样本，验证了MQDT理论对多原子离子DR过程的预测能力。发现低温下DR速率降低意味着星际环境中H₃⁺同位素体存活率提升，这将显著影响致密云核中的氘分馏网络——例如解释CH₃OH中13个数量级的氘富集现象。研究同时证实室温储存环数据会高估低温DR速率，为聚变装置等离子体建模提供了更准确的参数。

这项发表于《Nature Communications》的工作建立了多原子离子DR研究的新范式，其"冷却-纯化-测量"三位一体的方法，为破解更大分子体系的DR难题铺平了道路。正如研究者指出："当分子被冷却到接近绝对零度时，量子力学才真正开始讲述它完整的故事。"