近期，上海交通大學(xué)張杰院士團隊的陳黎明教授，與復(fù)旦大學(xué)馬余剛院士團隊的符長波教授合作，將激光等離子體應(yīng)用于核物理研究。他們利用激光等離子體的極高密度的特點，通過激光和近固體密度氪(Kr)團簇的非線性共振加熱獲得高密度MeV能量的電子，首次實現(xiàn)了高密度快速振蕩的電子在數(shù)十飛秒內(nèi)庫倫激發(fā)83Kr原子核。對應(yīng)2.34×10¹⁵p/s的超高峰值效率激發(fā)核同質(zhì)異能態(tài)83mKr3，其泵浦效率高于傳統(tǒng)加速器約5個量級，從而克服了傳統(tǒng)激發(fā)方式較低密度的弱點。該工作成為短壽命核同質(zhì)異能素超快激發(fā)的首次實驗驗證，從而開啟了激光“等離子體激發(fā)器”這種全新的核激發(fā)方式，可廣泛應(yīng)用于各種核激發(fā)與核合成的研究與應(yīng)用。

核同質(zhì)異能態(tài)是指具有相同質(zhì)子、中子數(shù)的原子核所處的激發(fā)態(tài)，相應(yīng)的這些元素互稱為核同質(zhì)異能素，今年又恰逢核同質(zhì)異能態(tài)被發(fā)現(xiàn)100年。核同質(zhì)異能態(tài)的高效激發(fā)對于諸如核時標(biāo)、核電池、清潔核能和核γ射線激光等開創(chuàng)性應(yīng)用至關(guān)重要。然而，由于微小的核激發(fā)截面和快速衰變這兩個特點，很難通過傳統(tǒng)的加速器或反應(yīng)堆這些較低峰值密度的核激發(fā)裝置積累大量短壽命的同質(zhì)異能素，這就成為同質(zhì)異能素應(yīng)用領(lǐng)域最大的瓶頸問題。

本工作是利用上海交大激光等離子體實驗室的百太瓦級飛秒激光裝置進行，實驗布局如圖1所示。

圖1.實驗布局圖

在相對論激光電離團簇后，被電離的電子在激光電場中沿偏振方向快速振蕩，電子在激光場和電荷分離場的共同作用下做類“8”字型運動，能量可達MeV，呈現(xiàn)出典型的非線性共振的特征。非線性共振加速的高密度電子來回和相對靜止的高密度Kr離子碰撞（如圖3的PIC模擬所示），通過非彈性散射將能量傳遞給Kr原子核從而庫倫激發(fā)83Kr到激發(fā)態(tài)。本工作中測量的是半衰期為1.83 h的2nd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。

圖 2. (a) 同質(zhì)異能態(tài)退激釋放的X射線譜；(b) 隨時間衰變的產(chǎn)額及半衰期擬合。

數(shù)值模擬并利用庫倫核激發(fā)理論計算了各種可能激發(fā)路徑的產(chǎn)額和激發(fā)效率，確定了實驗測得的2nd激發(fā)態(tài)的來源，其激發(fā)路徑為ground state→3rd state→2nd state (T032)，理論計算的產(chǎn)額和實驗測量非常吻合。更重要的是，庫倫激發(fā)主要發(fā)生在激光和團簇作用的激光脈沖寬度內(nèi)~10 fs，估算庫倫激發(fā)83mKr3的峰值效率可達2.34×10¹⁵ p/s。這種高效、通用的核同質(zhì)異能素激發(fā)方法可廣泛應(yīng)用于激發(fā)態(tài)壽命短至皮秒的同位素，對核γ射線激光和深入理解核躍遷機制具有重要意義。據(jù)此，繼廣泛研究的激光等離子體加速器之后，等離子體激發(fā)器將成為激光等離子體加速的另外一個重要的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。

圖 3. 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。

該研究成果以“Femtosecond Pumping of Nuclear Isomeric States by the Coulomb Collision of Ions with Quivering Electrons”為題于2022年1月31日發(fā)表于Physical Review Letters 128, 052501(2022)。物理與天文學(xué)院博士后馮杰為論文第一作者。本工作主要由科學(xué)挑戰(zhàn)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略重點研究計劃、國家重點研發(fā)項目的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.052501