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(zhǎng)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(guò)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(kù)倫激發(fā)83Kr原子核。對(duì)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(gè)量級(jí)，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(kāi)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(chēng)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(duì)于諸如核時(shí)標(biāo)、核電池、清潔核能和核γ射線激光等開(kāi)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(gè)特點(diǎn)，很難通過(guò)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(wèn)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(jí)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(duì)論激光電離團(tuán)簇后，被電離的電子在激光電場(chǎng)中沿偏振方向快速振蕩，電子在激光場(chǎng)和電荷分離場(chǎng)的共同作用下做類(lèi)“8”字型運(yùn)動(dòng)，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(lái)回和相對(duì)靜止的高密度Kr離子碰撞（如圖3的PIC模擬所示），通過(guò)非彈性散射將能量傳遞給Kr原子核從而庫(kù)倫激發(fā)83Kr到激發(fā)態(tài)。本工作中測(cè)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(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。

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

數(shù)值模擬并利用庫(kù)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(cè)得的2nd激發(fā)態(tài)的來(lái)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(cè)量非常吻合。更重要的是，庫(kù)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(kù)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(duì)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(gè)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(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。

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(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略重點(diǎn)研究計(jì)劃、國(guó)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