科學家觀測到飛秒強激光驅動的原子核同質異能態

強激光Kr83同質異能態實驗裝置示意圖

近日，上海交通大學張杰院士團隊與復旦大學馬余剛院士團隊合作，首次在實驗中觀測到飛秒激光驅動產生的原子核同質異能態。相關研究以《飛秒泵浦時抖動電子與離子庫倫碰撞所產生的同質異能態》為題，在《物理評論快報》上發表。

近年來，隨著強激光技術的發展，強激光驅動下與原子核相關的物理過程引起越來越多的重視。原子核同質異能態，即處在亞穩態的核素，由于其核結構理論的研究價值以及潛在的應用價值，一直以來是核物理研究的重要課題。

“超短的飛秒脈沖強激光，由于其能量在時間和空間維度上高度集中，有望形成超高電荷密度的加速以獲得傳統加速器無法比擬的超高的產生率，激發產生同質異能素。”該論文共同通訊作者、復旦大學教授符長波對《中國科學報》說，“而超高同核異能素產生率是深入推進原子核時鐘、伽馬激光器、核結構、天體核合成等領域研究的重要前提之一。”

在該項研究中，團隊利用一臺百太瓦級桌面型激光器為驅動源，觀測到了Kr83核素的同質異能態（其能級為42keV，壽命為1.83小時）。其峰值產生效率達2.34E15 p/s，超出傳統加速器所能達到的峰值產生率數個量級。

理論分析表明，近固體密度的電子在強激光場和等離子體團簇共同作用下會多次往返抖動形成共振，增加電子與原子核的相互作用機會，進而大幅提高同質異能素的產額。理論分析同時表明，該實驗條件下的同質異能態可能主要來自于庫倫激發機制，但不排除另外一種重要激發機制NEEC（即電子俘獲核激發）的存在。NEEC是原子核內轉換的逆過程，實驗上盡管經過數十年的尋找，但仍沒確切被證實。

合作團隊在近期發表的另一篇綜述文章指出，目前存在于原子和原子核尺度之間（也就是納米和飛米尺度之間）的一些物理困惑，包括質子電荷半徑、中子壽命、深度狄拉克態等，有望通過強激光等離子體為平臺進行研究。

“飛秒強激光驅動的同質異能素的首次實驗觀測，是在此方向的一項重要進展。它標志著在實驗上研究納秒、皮秒、乃至飛秒時間尺度上超快核物理過程已經成為現實，并將有力促進對核時鐘、伽馬激光器、以及NEEC的研究。”該論文共同通訊作者、上海交通大學教授陳黎明說。