前沿进展 | 激光等离子体超强核激发器的实现

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“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

1 导读

近日，上海交通大学张杰院士团队的陈黎明教授，与复旦大学马余刚院士团队的符长波教授合作，通过百TW超强激光与气体团簇相互作用，成功实现⁸³Kr核同质异能素的超快激发，其峰值激发效率高于传统的激发方式（如加速器、反应堆等）数个量级。该工作首次观测到短寿命核同质异能素的飞秒时间尺度超快激发现象，发现了超强光场驱动下共振电子对核激发的放大作用，从而开启了“激光等离子体核激发器”这种全新的研究手段。该研究成果以“Femtosecond Pumping of Nuclear Isomeric States by the Coulomb Collision of Ions with Quivering Electrons”为题于2022年1月31日发表于Physical Review Letters。2022 | 前沿进展

2 研究背景

原子核同质异能态是指具有相同质子和中子数的原子核所处的长寿命激发态，相应的核素被称为核同质异能素。今年恰逢发现核同质异能态100周年。同质异能态的高效激发对于诸如核时标、核电池、清洁核能、天体核素演化以及核γ射线激光等开创性基础物理或应用研究至关重要。这些应用中的大部分都极其依赖寿命较短的同质异能素的快速激发。然而，对短寿命同核异能态来讲，由于微小的核激发截面和快速衰变这两个特点，很难通过传统的加速器或反应堆这些较低峰值密度的核激发装置大量积累，这就成为同质异能素基础研究与应用领域的瓶颈问题之一。

3 研究创新点

近期，陈黎明教授与符长波教授联合团队，将激光等离子体应用于核物理研究。他们利用激光等离子体的极高密度的特点，通过激光与近固体密度氪(Kr)团簇的非线性共振加热获得高密度MeV能量的电子，首次实现了高密度快速多次振荡的电子在数十飞秒的时间内通过“库伦激发”等机制，激发⁸³Kr原子核。实验观测到了同质异能态^83mKr以2.34×10¹⁵ p/s的超高峰值效率被激发，其泵浦效率高于传统加速器约5个量级。

本工作是利用上海交大激光等离子体实验室的百太瓦级飞秒激光装置进行，实验布局如图1所示。

图1  实验布局（左图）及实验结果。其中(右上) 同质异能态退激释放的X射线谱；(右下) 随时间衰变的产额及半衰期拟合

在相对论激光电离团簇后，电子将在激光电场中沿偏振方向快速振荡，在激光场和电荷分离场的共同作用下做类“8”字运动。大量电子能量可达MeV，呈现出典型的非线性共振的特征。共振加速的高密度电子来回和相对静止的高密度Kr离子碰撞（如图2所示），通过非弹性散射将能量传递给Kr原子核从而激发⁸³Kr到激发态。本工作中测量的是半衰期为1.83小时的第二激发态退激释放的X射线谱及衰变产额，辐射的X射线主要是Kr的Ka、K_β (2^nd→1^st)和9.4 keV(1^st→ground state)，测得半衰期为(1.80±0.05) h，同质异能态^83mKr₃的单发产额为(1.15±0.02)×10⁴。

数值模拟中利用了库伦核激发理论计算各种可能激发路径的产额和激发效率，确定了实验测得的第二激发态的来源，其激发路径为ground state→3^rd state→2^nd state (T032)，理论计算的产额和实验测量在误差范围内相符。该方法对原子核的激发过程，主要发生在激光和团簇作用的激光脉冲宽度约10 fs内，估算激发^83mKr的峰值效率可达2.34×10¹⁵ p/s。这种超快核激发的首次实验观测，标着利用激光研究飞秒时间尺度核过程是可能的，具有里程碑意义。

图2 激光团簇作用的PIC模拟及库伦激发计算。(a-d) 不同时刻激光团簇作用的电子分布；(e) 团簇区域电子、离子密度随时间的演化；(f) 团簇区域电子能量随时间的演化；(g) 各个激发路径的激发效率及产额

4 总结与展望文中所述的这种新型、高峰值强度、通用的核同质异能素激发方法，可激发寿命短至皮秒的同位素，对核时钟、天体核合成过程、核γ射线激光等需要超快激发的领域具有重要推动作用。据此，继广泛研究的“激光等离子体加速器”之后，“激光等离子体核激发器”将开辟另一重要的研究和应用领域。论文第一作者为上海交通大学物理与天文学院博士后冯杰，论文的共同通讯作者为符长波教授和陈黎明教授。本工作主要得到了科学挑战计划、国家自然科学基金、中国科学院战略重点研究计划、国家重点研发项目的资助。论文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.052501

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编辑 | 方紫璇

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