近期，上海交通大學(xué)張杰院士團(tuán)隊(duì)的陳黎明教授，與復(fù)旦大學(xué)馬余剛院士團(tuán)隊(duì)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(diǎn)，通過激光和近固體密度氪(Kr)團(tuán)簇的非線性共振加熱獲得高密度MeV能量的電子，首次實(shí)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(diǎn)。該工作成為短壽命核同質(zhì)異能素超快激發(fā)的首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(diǎn)，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(shí)驗(yàn)室的百太瓦級飛秒激光裝置進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)布局如圖1所示。

　　圖 1. 實(shí)驗(yàn)布局圖

　　在相對論激光電離團(tuán)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(yùn)動，能量可達(dá)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(jì)算的產(chǎn)額和實(shí)驗(yàn)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(tuán)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(dá)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(jī)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(tuán)簇作用的PIC模擬及庫倫激發(fā)計(jì)算。(a-d) 不同時刻激光團(tuán)簇作用的電子分布；(e) 團(tuán)簇區(qū)域電子、離子密度隨時間的演化；(f) 團(tuán)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(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略重點(diǎn)研究計(jì)劃、國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目的資助。

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