国际前沿交叉科学研究院申时行副教授和迈斯纳教授在核物理基础研究领域取得重要突破。研究团队利用原子核格点有效场论结合高精度N³LO手征相互作用，首次实现了对铍同位素（⁷Be-¹⟡Be）低激发态的全自由度第一性原理计算，揭示了复杂量子多体波函数中隐藏的分子动力学轨道与中子晕结构的演化规律。相关研究成果以"Ab Initio Study of the Beryllium Isotopes 7Be to 12Be"为题，于2025年4月25日发表于《Physical Review Letters》

奇特核物理是现代核科学的核心研究方向之一，主要探索远离β稳定线原子核的特殊结构与性质。这类原子核具有极端中子-质子比，常表现出与传统稳定核迥异的量子特征，如扩展的中子晕结构、分子轨道化核子排布等。奇特核研究不仅对完善核多体理论体系具有基础意义，也可以为理解超新星核合成、中子星物质状态等天体物理过程以及放射性治疗等医学应用提供关键核物理输入。

核分子轨道与中子晕结构是理解奇特原子核的关键，传统研究多基于预设团簇模型或唯象方法，而严格求解核多体问题的第一性原理计算涉及上百万波函数组态，难以解析其中的团簇和分子轨道等精细结构。申时行团队创新性地结合蒙特卡洛多体密度采样、自主开发的核子分组算法及α团簇观测视角（图1），无需预设团簇构型即可从全自由度波函数中直接提取核子空间分布特征，实现原子核团簇结构、分子轨道及中子晕的三维“成像”。

图1：核子分组算法及α团簇观测视角示意

通过追踪格点上核子的三维运动轨迹，研究团队首次在第一性原理计算框架下观测到：铍-8呈现典型的双α团簇结构，新增中子在不同同位素中占据π轨道（垂直团簇平面）或σ轨道（沿对称轴）。其中铍-11展现出独特的三价中子构型——两个价中子占据π轨道，第三个价中子形成兼具σ轨道特征与弥散s轨道晕的结构，整体包裹双团簇体系（图2）。

图2：（左图）铍-8、铍-10、铍-11（基态与第一激发态）总密度分布；（右图）铍-11不同态价中子分布

研究采用N³LO手征相互作用，实现了对铍同位素低激发态能谱、电荷半径及电磁跃迁性质的精准预测，与实验数据高度一致。研究突破了传统模型依赖性的局限，首次从基本核子-核子相互作用出发，统一解释了从稳定核到奇特核的团簇形成、分子轨道占据及中子晕演化规律，构建了少体物理与多体现象间的理论桥梁。

北航国际前沿交叉科学研究院申时行副教授为第一作者，北航国际前沿交叉科学研究院首席科学家Ulf-G. Meißner教授为通讯作者，北京航空航天大学为第一完成单位。该研究获国家自然科学基金重点项目、德国于利希超算中心等支持。