近日，上海交通大學(xué)張杰院士團(tuán)隊與復(fù)旦大學(xué)馬余剛院士團(tuán)隊合作，首次在實驗中觀測到飛秒激光驅(qū)動產(chǎn)生的原子核同質(zhì)異能態(tài)。相關(guān)研究以《飛秒泵浦時抖動電子與離子庫倫碰撞所產(chǎn)生的同質(zhì)異能態(tài)》為題，在《物理評論快報》上發(fā)表。
強激光Kr83同質(zhì)異能態(tài)實驗裝置示意圖，受訪者供圖
近年來，隨著強激光技術(shù)的發(fā)展，強激光驅(qū)動下與原子核相關(guān)的物理過程引起越來越多的重視。原子核同質(zhì)異能態(tài)，即處在亞穩(wěn)態(tài)的核素，由于其核結(jié)構(gòu)理論的研究價值以及潛在的應(yīng)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(tǒng)加速器無法比擬的超高的產(chǎn)生率，激發(fā)產(chǎn)生同質(zhì)異能素。”該論文共同通訊作者、復(fù)旦大學(xué)教授符長波對《中國科學(xué)報》說，“而超高同核異能素產(chǎn)生率是深入推進(jìn)原子核時鐘、伽馬激光器、核結(jié)構(gòu)、天體核合成等領(lǐng)域研究的重要前提之一。”
在該項研究中，團(tuán)隊利用一臺百太瓦級桌面型激光器為驅(qū)動源，觀測到了Kr83核素的同質(zhì)異能態(tài)（其能級為42keV，壽命為1.83小時）。其峰值產(chǎn)生效率達(dá)2.34E15 p/s，超出傳統(tǒng)加速器所能達(dá)到的峰值產(chǎn)生率數(shù)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(tuán)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(jìn)而大幅提高同質(zhì)異能素的產(chǎn)額。理論分析同時表明，該實驗條件下的同質(zhì)異能態(tài)可能主要來自于庫倫激發(fā)機制，但不排除另外一種重要激發(fā)機制NEEC（即電子俘獲核激發(fā)）的存在。NEEC是原子核內(nèi)轉(zhuǎn)換的逆過程，實驗上盡管經(jīng)過數(shù)十年的尋找，但仍沒確切被證實。
合作團(tuán)隊在近期發(fā)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(zhì)子電荷半徑、中子壽命、深度狄拉克態(tài)等，有望通過強激光等離子體為平臺進(jìn)行研究。
“飛秒強激光驅(qū)動的同質(zhì)異能素的首次實驗觀測，是在此方向的一項重要進(jìn)展。它標(biāo)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(jīng)成為現(xiàn)實，并將有力促進(jìn)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(xué)教授陳黎明說。
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