上海交大團(tuán)隊(duì)在激光核物理領(lǐng)域取得新突破！首次從實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到飛秒激光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的同質(zhì)異能態(tài)，可用于核時(shí)鐘和核激光

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

自古以來(lái)，計(jì)時(shí)時(shí)鐘的發(fā)展歷經(jīng)諸多階段，從沙漏、機(jī)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(guān)研究的深入，人們?cè)谔岣咴隅姷木葧r(shí)，遇到了新的天花板，科學(xué)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(shí)，人們開(kāi)始使用原子核的譜線來(lái)做新一代時(shí)鐘的“鐘擺”。大多數(shù)原子核譜線的震動(dòng)誤差，確實(shí)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(dòng)起來(lái)。

1 月 31 日，復(fù)旦大學(xué)教授符長(zhǎng)波擔(dān)任共同通訊作者的論文《飛秒泵浦時(shí)抖動(dòng)電子與離子庫(kù)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(guān)論文（來(lái)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(yùn)動(dòng)的方法，可用于核時(shí)鐘和核激光等。實(shí)驗(yàn)中，研究人員首次觀測(cè)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(shí)間尺度的核過(guò)程是可行的。

符長(zhǎng)波表示：“從沙漏、擺鐘、到原子鐘、核鐘，是一段長(zhǎng)長(zhǎng)的追求極致之路。我們希望這次的新方法，能對(duì)人類(lèi)計(jì)時(shí)器發(fā)展有所貢獻(xiàn)?！?/span>

圖 | 左起：上海交大物理與天文學(xué)院陳黎明教授、論文一作馮杰以及符長(zhǎng)波（來(lái)源：符長(zhǎng)波）

獻(xiàn)給人類(lèi)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(zhǎng)壽命激發(fā)態(tài)，相應(yīng)的核素被稱(chēng)為核同質(zhì)異能素。

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

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

這時(shí)，符長(zhǎng)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(dāng)把激光和近固體密度氪（Kr）團(tuán)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(tuán)隊(duì)首次讓高密度快速振蕩的電子，在數(shù)十飛秒內(nèi)庫(kù)倫激發(fā)出 83Kr 原子核。

實(shí)驗(yàn)中，符長(zhǎng)波等人還觀測(cè)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(gè)量級(jí)。

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

圖 | 實(shí)驗(yàn)布局（左圖）及實(shí)驗(yàn)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(shí)間衰變的產(chǎn)額及半衰期擬合（來(lái)源：Physical Review Letters）

實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)如下，被電離的電子會(huì)在激光電場(chǎng)中，沿偏振方向快速振蕩，并在激光場(chǎng)和電荷分離場(chǎng)的共同作用下，做出類(lèi)似“8”字的運(yùn)動(dòng)。

由于大量電子的能量可達(dá)兆電子伏，因此會(huì)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(huì)和相對(duì)靜止的高密度 Kr 離子來(lái)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(lái)到激發(fā)態(tài)。

圖 | 激光團(tuán)簇作用的 PIC 模擬及庫(kù)倫激發(fā)計(jì)算。(a-d) 不同時(shí)刻激光團(tuán)簇作用的電子分布；(e) 團(tuán)簇區(qū)域電子、離子密度隨時(shí)間的演化；(f) 團(tuán)簇區(qū)域電子能量隨時(shí)間的演化；(g) 各個(gè)激發(fā)路徑的激發(fā)效率及產(chǎn)額（來(lái)源：Physical Review Letters）

據(jù)悉，符長(zhǎng)波測(cè)量的是半衰期為 1.83 小時(shí)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(cè)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(tuán)隊(duì)利用庫(kù)倫核激發(fā)理論，去計(jì)算各種可能激發(fā)路徑的產(chǎn)額和激發(fā)效率，讓實(shí)驗(yàn)測(cè)得的第二激發(fā)態(tài)的來(lái)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(jì)算的產(chǎn)額和實(shí)驗(yàn)測(cè)量互相符合。

此外，該方法對(duì)原子核的激發(fā)過(guò)程，主要發(fā)生在激光和團(tuán)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(dá) 2.34×1015 p/s。

（來(lái)源：Physical Review Letters）

“獲得那個(gè)令人振奮的 X 射線能譜”

符長(zhǎng)波總結(jié)稱(chēng)，該研究從立項(xiàng)到最終獲得成功，主要包含以下步驟：

首先，他們提出了將強(qiáng)激光應(yīng)用于核激發(fā)的想法。在本工作之前，該團(tuán)隊(duì)就曾利用強(qiáng)激光，成功實(shí)現(xiàn)了等離子體環(huán)境中的核聚變反應(yīng)。

同時(shí)，他們也是第一個(gè)提出使用飛秒強(qiáng)激光轟擊團(tuán)簇、去驅(qū)動(dòng)同核異能態(tài)的課題組。

“仍記得，當(dāng)初提出這個(gè)想法時(shí)，我們并沒(méi)有十足的信心在實(shí)驗(yàn)上加以實(shí)現(xiàn)。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)產(chǎn)物的數(shù)量可能極少，能否探測(cè)到會(huì)是個(gè)問(wèn)題。然而，我并沒(méi)有放棄這個(gè)想法，仍滿(mǎn)懷希望決定在實(shí)驗(yàn)上一探究竟?！狈L(zhǎng)波表示。

盡管關(guān)于激光和團(tuán)簇相互作用的過(guò)程已有大量報(bào)道，但都是集中于原子分子物理的研究，對(duì)核物理研究也僅限庫(kù)倫爆炸核反應(yīng)產(chǎn)生中子。

而該團(tuán)隊(duì)在此已積累了長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)，深諳如何利用激光和團(tuán)簇作用中的非線性共振效應(yīng)，并通過(guò)激光電場(chǎng)與電荷分離場(chǎng)的共同作用，去加熱電子并使之與離子碰撞，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)原子 K 鞘層的特征 X 射線輻射。

這樣一來(lái)，激光團(tuán)簇驅(qū)動(dòng)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(lái)講，電子碰撞原子核、并將后者激發(fā)是毫無(wú)疑問(wèn)的。而從實(shí)驗(yàn)角度來(lái)講，選擇一個(gè)特定的核素，只要累計(jì)足夠的事例數(shù)，總能有機(jī)會(huì)在實(shí)驗(yàn)上將其探測(cè)到。

同時(shí)，核素的選擇亦是非常巧妙。一開(kāi)始，符長(zhǎng)波把“矛頭”指向氣體團(tuán)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(zhǎng)的壽命，只有這樣才能方便探測(cè)。

查完整個(gè)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(tuán)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(shè)備等條件，該團(tuán)隊(duì)盡可能地設(shè)計(jì)能復(fù)現(xiàn)想法的實(shí)驗(yàn)方案。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，最關(guān)鍵的一點(diǎn)便是如何探測(cè)激發(fā)的核同質(zhì)異能態(tài)，這是整個(gè)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。

符長(zhǎng)波說(shuō)：“我們?cè)谶@里做了一個(gè)巧妙設(shè)計(jì)，即利用冷阱收集近 2 小時(shí)長(zhǎng)壽命的 83Kr 同質(zhì)異能態(tài)，再使用大面陣的探測(cè)器測(cè)量其衰變的輻射，進(jìn)而確認(rèn)核同質(zhì)異能態(tài)的產(chǎn)生。憑借該設(shè)計(jì)，核衰變信號(hào)和激光打靶的背景輻射信號(hào)得以分開(kāi)。最后，我們申請(qǐng)到上海交通大學(xué)激光等離子體實(shí)驗(yàn)室的機(jī)時(shí)，順利開(kāi)展了激光等離子體庫(kù)倫核激發(fā)的實(shí)驗(yàn)，獲得了那個(gè)令人振奮的 X 射線能譜。”

在一片電子學(xué)噪聲中尋找真正的信號(hào)

整個(gè)研究耗時(shí)近三年，期間經(jīng)歷多輪實(shí)驗(yàn)。在第一輪實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)使用 X 射線探測(cè)器去測(cè)量輻射譜，看著一個(gè)一個(gè)的脈沖被多道記錄，時(shí)間也一分一秒地過(guò)去，他們想在一片電子學(xué)噪聲中尋找真正的信號(hào)，但就是不見(jiàn)特征輻射譜。

隨后，符長(zhǎng)波等人嘗試使用大面積成像板，來(lái)接收這些既微弱、又無(wú)方向的衰變光子。由于成像板沒(méi)有能量分辨，在讀出時(shí)的噪聲也非常大，為此該團(tuán)隊(duì)額外使用一片成像板作為參考。

在對(duì)比兩片成像板上記錄的小點(diǎn)之后，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為存在衰變輻射的想法也愈發(fā)堅(jiān)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(zhǎng)時(shí)間、無(wú)方向、低產(chǎn)額等特點(diǎn)，該團(tuán)隊(duì)重新設(shè)計(jì)探測(cè)器，在第二輪實(shí)驗(yàn)正式打靶的第一天，就測(cè)到了輻射譜。

在成功獲得衰變輻射譜后，他們一度認(rèn)為核激發(fā)是由團(tuán)簇的“庫(kù)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(tuán)簇核反應(yīng)上的第一個(gè)成果。

不過(guò)，研究人員隨后發(fā)現(xiàn)，參考離子能量進(jìn)行計(jì)算后的激發(fā)效率，卻和實(shí)驗(yàn)值出現(xiàn)數(shù)個(gè)量級(jí)的差別，這時(shí)他們認(rèn)為應(yīng)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(kù)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(shí)，由于非線性共振加熱的時(shí)間在 20fs 尺度，故他們判定這是一種超快的核激發(fā)。

自此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得以被完美解釋?zhuān)芯咳藛T也獲得了正確的激發(fā)路徑，并為下一步精確控制這類(lèi)激發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

后續(xù)，該團(tuán)隊(duì)打算集中研究飛納尺度物理，以強(qiáng)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(jí)，原子核大小在飛秒量級(jí)，因此該團(tuán)隊(duì)把處于原子核與原子之間的尺度叫做飛納尺度。

這個(gè)尺度下有大量的謎團(tuán)，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(zhǎng)。不同的實(shí)驗(yàn)條件，會(huì)給出不同的數(shù)值，而這一切又無(wú)法用測(cè)量誤差解釋?zhuān)@讓學(xué)界甚是困惑。

基于此，下一步符長(zhǎng)波將利用超強(qiáng)激光的高電磁場(chǎng)、以及短脈沖的特點(diǎn)，對(duì)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(shuō)，本次研究只是一個(gè)開(kāi)端，一些與飛納尺度相關(guān)的過(guò)程比如電子俘獲核激發(fā)和電子橋等，都有待該團(tuán)隊(duì)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.