上海交大團隊在激光核物理領域取得新突破！首次從實驗上觀測到飛秒激光驅(qū)動產(chǎn)生的同質(zhì)異能態(tài)，可用于核時鐘和核激光

時間，本是眼不能見。而日影變換、時鐘滴答，則以人眼可見的方式，映現(xiàn)歲月的流逝。

自古以來，計時時鐘的發(fā)展歷經(jīng)諸多階段，從沙漏、機械臂擺鐘、手表&懷表、以晶體振蕩器為核心的電子鐘等，直到現(xiàn)代的原子鐘......

制備鐘表的核心是，鐘內(nèi)部的控制系統(tǒng)、即鐘擺和游絲等零件的周期要十分穩(wěn)定，不受外界影響。

目前最精確的鐘是“原子鐘”，其背后的控制系統(tǒng)利用原子中的一條特別穩(wěn)定的譜線做鐘擺，能做到百億年誤差不到一秒。

但是，隨著相關研究的深入，人們在提高原子鐘的精度時，遇到了新的天花板，科學家?guī)缀跻呀?jīng)窮盡能做原子鐘鐘擺的所有原子譜線。

那么，該如何破局？這時，人們開始使用原子核的譜線來做新一代時鐘的“鐘擺”。大多數(shù)原子核譜線的震動誤差，確實比原子譜線的小得多。

但仍然存在的難題是，如何讓原子核“鐘擺”既可控、又高效地震動起來。

1 月 31 日，復旦大學教授符長波擔任共同通訊作者的論文《飛秒泵浦時抖動電子與離子庫倫碰撞所產(chǎn)生的同質(zhì)異能態(tài)》（Femtosecond Pumping of Nuclear Isomeric States by the Coulomb Collision of Ions with Quivering Electrons）解決了上述難題，論文發(fā)表在 Physical Review Letters 上 [1]。

圖 | 相關論文（來源：Physical Review Letters）

該工作發(fā)現(xiàn)了一種能讓原子核鐘擺超高速運動的方法，可用于核時鐘和核激光等。實驗中，研究人員首次觀測到超快的核激發(fā)，這意味著利用激光等離子體、去研究飛秒時間尺度的核過程是可行的。

符長波表示：“從沙漏、擺鐘、到原子鐘、核鐘，是一段長長的追求極致之路。我們希望這次的新方法，能對人類計時器發(fā)展有所貢獻?！?/span>

圖 | 左起：上海交大物理與天文學院陳黎明教授、論文一作馮杰以及符長波（來源：符長波）

獻給人類發(fā)現(xiàn)核同質(zhì)異能態(tài)的第 100 周年的“禮物”

要想理解該研究，先得知道原子核同質(zhì)異能態(tài)。它指的是具有相同質(zhì)子和中子數(shù)的原子核所處的長壽命激發(fā)態(tài)，相應的核素被稱為核同質(zhì)異能素。

2022 年，恰逢人類發(fā)現(xiàn)核同質(zhì)異能態(tài)的第 100 周年，該論文于此時刊發(fā)也頗有紀念意義。而高效激發(fā)同質(zhì)異能態(tài)，對于核時標、核電池、天體核素演化、核 γ 射線激光、清潔核能等研究至關重要。

上述應用中的絕大部分，都極其依賴壽命較短的同質(zhì)異能素的快速激發(fā)。但是，對短壽命同核異能態(tài)來說，受限于微小的核激發(fā)截面、以及快速衰變這倆特點，很難積累大量的較低峰值密度的核激發(fā)裝置。

這時，符長波和合作伙伴將靈感指向激光等離子體。激光等離子體的密度極高，當把激光和近固體密度氪（Kr）團簇的非線性共振加熱，就能收獲高密度高能量的電子。

借助該方法，該團隊首次讓高密度快速振蕩的電子，在數(shù)十飛秒內(nèi)庫倫激發(fā)出 83Kr 原子核。

實驗中，符長波等人還觀測到同質(zhì)異能態(tài) 83mKr 以 2.34×1015p/s 的超高峰值效率被激發(fā)。其中，泵浦效率比傳統(tǒng)加速器高出大約 5 個量級。

另據(jù)悉，上海交大激光等離子體實驗室的百太瓦飛秒激光裝置，是完成研究的重要保障，具體實驗布局如下圖所示。

圖 | 實驗布局（左圖）及實驗結(jié)果。其中 (右上) 同質(zhì)異能態(tài)退激釋放的 X 射線譜；(右下) 隨時間衰變的產(chǎn)額及半衰期擬合（來源：Physical Review Letters）

實驗細節(jié)如下，被電離的電子會在激光電場中，沿偏振方向快速振蕩，并在激光場和電荷分離場的共同作用下，做出類似“8”字的運動。

由于大量電子的能量可達兆電子伏，因此會表現(xiàn)出典型的非線性共振的特征。如下圖所示，共振加速的高密度電子，會和相對靜止的高密度 Kr 離子來回碰撞，并以非彈性散射的方式，將能量傳遞給 Kr 原子核，從而讓 83Kr 來到激發(fā)態(tài)。

圖 | 激光團簇作用的 PIC 模擬及庫倫激發(fā)計算。(a-d) 不同時刻激光團簇作用的電子分布；(e) 團簇區(qū)域電子、離子密度隨時間的演化；(f) 團簇區(qū)域電子能量隨時間的演化；(g) 各個激發(fā)路徑的激發(fā)效率及產(chǎn)額（來源：Physical Review Letters）

據(jù)悉，符長波測量的是半衰期為 1.83 小時的第二激發(fā)態(tài)退激釋放的 X 射線譜及衰變產(chǎn)額，輻射的 X 射線主要是 Kr 的 Ka、Kβ（2nd→1st）和 9.4 keV（1st→ground state），測得半衰期為（1.80±0.05）h，同質(zhì)異能態(tài) 83mKr3 的單發(fā)產(chǎn)額為（1.15±0.02）×104。

在數(shù)值模擬中，該團隊利用庫倫核激發(fā)理論，去計算各種可能激發(fā)路徑的產(chǎn)額和激發(fā)效率，讓實驗測得的第二激發(fā)態(tài)的來源得以確定，激發(fā)路徑則為 ground state→3rd state→2nd state（T032）。在誤差范圍內(nèi)，理論計算的產(chǎn)額和實驗測量互相符合。

此外，該方法對原子核的激發(fā)過程，主要發(fā)生在激光和團簇作用的激光脈沖寬度約 10 fs 內(nèi)，估算激發(fā) 83mKr 的峰值效率可達 2.34×1015 p/s。

（來源：Physical Review Letters）

“獲得那個令人振奮的 X 射線能譜”

符長波總結(jié)稱，該研究從立項到最終獲得成功，主要包含以下步驟：

首先，他們提出了將強激光應用于核激發(fā)的想法。在本工作之前，該團隊就曾利用強激光，成功實現(xiàn)了等離子體環(huán)境中的核聚變反應。

同時，他們也是第一個提出使用飛秒強激光轟擊團簇、去驅(qū)動同核異能態(tài)的課題組。

“仍記得，當初提出這個想法時，我們并沒有十足的信心在實驗上加以實現(xiàn)。因為實驗產(chǎn)物的數(shù)量可能極少，能否探測到會是個問題。然而，我并沒有放棄這個想法，仍滿懷希望決定在實驗上一探究竟?！狈L波表示。

盡管關于激光和團簇相互作用的過程已有大量報道，但都是集中于原子分子物理的研究，對核物理研究也僅限庫倫爆炸核反應產(chǎn)生中子。

而該團隊在此已積累了長期經(jīng)驗，深諳如何利用激光和團簇作用中的非線性共振效應，并通過激光電場與電荷分離場的共同作用，去加熱電子并使之與離子碰撞，進而驅(qū)動原子 K 鞘層的特征 X 射線輻射。

這樣一來，激光團簇驅(qū)動核激發(fā)的可行性，主要取決于電子是否能碰撞離子、并使其原子核激發(fā)。從物理角度來講，電子碰撞原子核、并將后者激發(fā)是毫無疑問的。而從實驗角度來講，選擇一個特定的核素，只要累計足夠的事例數(shù)，總能有機會在實驗上將其探測到。

同時，核素的選擇亦是非常巧妙。一開始，符長波把“矛頭”指向氣體團簇，但是自然界中可呈現(xiàn)出氣態(tài)的元素并不多，此外該核素還得具備同質(zhì)異能態(tài)、以及較長的壽命，只有這樣才能方便探測。

查完整個核素表，他發(fā)現(xiàn)氪的同位素 83Kr 非常的適合，這種稀有氣體不僅容易形成大分子結(jié)構(gòu)的團簇，還具有較大的豐度。

其次，根據(jù)現(xiàn)有的激光裝置、診斷設備等條件，該團隊盡可能地設計能復現(xiàn)想法的實驗方案。在實驗設計中，最關鍵的一點便是如何探測激發(fā)的核同質(zhì)異能態(tài)，這是整個實驗的關鍵。

符長波說：“我們在這里做了一個巧妙設計，即利用冷阱收集近 2 小時長壽命的 83Kr 同質(zhì)異能態(tài)，再使用大面陣的探測器測量其衰變的輻射，進而確認核同質(zhì)異能態(tài)的產(chǎn)生。憑借該設計，核衰變信號和激光打靶的背景輻射信號得以分開。最后，我們申請到上海交通大學激光等離子體實驗室的機時，順利開展了激光等離子體庫倫核激發(fā)的實驗，獲得了那個令人振奮的 X 射線能譜。”

在一片電子學噪聲中尋找真正的信號

整個研究耗時近三年，期間經(jīng)歷多輪實驗。在第一輪實驗中，該團隊使用 X 射線探測器去測量輻射譜，看著一個一個的脈沖被多道記錄，時間也一分一秒地過去，他們想在一片電子學噪聲中尋找真正的信號，但就是不見特征輻射譜。

隨后，符長波等人嘗試使用大面積成像板，來接收這些既微弱、又無方向的衰變光子。由于成像板沒有能量分辨，在讀出時的噪聲也非常大，為此該團隊額外使用一片成像板作為參考。

在對比兩片成像板上記錄的小點之后，該團隊認為存在衰變輻射的想法也愈發(fā)堅定。雖然數(shù)據(jù)非常粗糙，卻讓他們看到了一絲希望。

考慮到衰變輻射具有長時間、無方向、低產(chǎn)額等特點，該團隊重新設計探測器，在第二輪實驗正式打靶的第一天，就測到了輻射譜。

在成功獲得衰變輻射譜后，他們一度認為核激發(fā)是由團簇的“庫侖爆炸”粒子加速激發(fā)的，畢竟這種方式完成了課題組在團簇核反應上的第一個成果。

不過，研究人員隨后發(fā)現(xiàn)，參考離子能量進行計算后的激發(fā)效率，卻和實驗值出現(xiàn)數(shù)個量級的差別，這時他們認為應該是另外更有效的激發(fā)方式在起作用。

再聯(lián)想到電子的非線性共振能把電子能量加熱到兆電子伏，足夠?qū)?83Kr 原子核庫倫激發(fā)到第三激發(fā)態(tài)，這樣的激發(fā)效率與理論值吻合較好。同時，由于非線性共振加熱的時間在 20fs 尺度，故他們判定這是一種超快的核激發(fā)。

自此，實驗結(jié)果得以被完美解釋，研究人員也獲得了正確的激發(fā)路徑，并為下一步精確控制這類激發(fā)提供了堅實的基礎。

后續(xù)，該團隊打算集中研究飛納尺度物理，以強激光為手段去揭示更多新現(xiàn)象。由于原子的大小在納米量級，原子核大小在飛秒量級，因此該團隊把處于原子核與原子之間的尺度叫做飛納尺度。

這個尺度下有大量的謎團，比如人們甚至還不知道質(zhì)子的電荷分布有多大，中子的壽命有多長。不同的實驗條件，會給出不同的數(shù)值，而這一切又無法用測量誤差解釋，這讓學界甚是困惑。

基于此，下一步符長波將利用超強激光的高電磁場、以及短脈沖的特點，對原子核外電子做以高效剝離，借此為原子核弱相互作用、以及電磁作用在飛納尺度交界處的研究提供有效工具。

可以說，本次研究只是一個開端，一些與飛納尺度相關的過程比如電子俘獲核激發(fā)和電子橋等，都有待該團隊做以深入探索。

-End-

參考：

1、Feng, J., Wang, W., Fu, C., Chen, L., Tan, J., Li, Y., ... & Zhang, J. (2022). Femtosecond pumping of nuclear isomeric states by the Coulomb collision of ions with quivering electrons. Physical Review Letters, 128(5), 052501.