近期，上海交通大學張杰院士團隊的陳黎明教授，與復旦大學馬余剛院士團隊的符長波教授合作，將激光等離子體應用于核物理研究。他們利用激光等離子體的極高密度的特點，通過激光和近固體密度氪(Kr)團簇的非線性共振加熱獲得高密度MeV能量的電子，首次實現了高密度快速振蕩的電子在數十飛秒內庫倫激發83Kr原子核。對應2.34×1015p/s的超高峰值效率激發核同質異能態83mKr3，其泵浦效率高于傳統加速器約5個量級，從而克服了傳統激發方式較低密度的弱點。該工作成為短壽命核同質異能素超快激發的首次實驗驗證，從而開啟了激光“等離子體激發器”這種全新的核激發方式，可廣泛應用于各種核激發與核合成的研究與應用。
核同質異能態是指具有相同質子、中子數的原子核所處的激發態，相應的這些元素互稱為核同質異能素，今年又恰逢核同質異能態被發現100年。核同質異能態的高效激發對于諸如核時標、核電池、清潔核能和核γ射線激光等開創性應用至關重要。然而，由于微小的核激發截面和快速衰變這兩個特點，很難通過傳統的加速器或反應堆這些較低峰值密度的核激發裝置積累大量短壽命的同質異能素，這就成為同質異能素應用領域最大的瓶頸問題。
本工作是利用上海交大激光等離子體實驗室的百太瓦級飛秒激光裝置進行，實驗布局如圖1所示。
圖 1. 實驗布局圖
在相對論激光電離團簇后，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”字型運動，能量可達MeV，呈現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83Kr到激發態。本工作中測量的是半衰期為1.83 h的2nd激發態退激釋放的X射線譜及衰變產額，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，同質異能態83mKr3的單發產額為(1.15±0.02)×104。
圖 2. (a) 同質異能態退激釋放的X射線譜；(b) 隨時間衰變的產額及半衰期擬合。
數值模擬并利用庫倫核激發理論計算了各種可能激發路徑的產額和激發效率，確定了實驗測得的2nd激發態的來源，其激發路徑為ground state→3rd state→2nd state (T032)，理論計算的產額和實驗測量非常吻合。更重要的是，庫倫激發主要發生在激光和團簇作用的激光脈沖寬度內~10 fs，估算庫倫激發83mKr3的峰值效率可達2.34×1015 p/s。這種高效、通用的核同質異能素激發方法可廣泛應用于激發態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制具有重要意義。據此，繼廣泛研究的激光等離子體加速器之后，等離子體激發器將成為激光等離子體加速的另外一個重要的研究和應用領域。
圖 3. 激光團簇作用的PIC模擬及庫倫激發計算。(a-d) 不同時刻激光團簇作用的電子分布；(e) 團簇區域電子、離子密度隨時間的演化；(f) 團簇區域電子能量隨時間的演化；(g) 各個激發路徑的激發效率及產額。
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日發表于Physical Review Letters 128, 052501(2022)。物理與天文學院博士后馮杰為論文第一作者。本工作主要由科學挑戰計劃、國家自然科學基金、中國科學院戰略重點研究計劃、國家重點研發項目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.052501
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