自古以來，計時時鐘的發展歷經諸多階段，從沙漏、機械臂擺鐘、手表&懷表、以晶體振蕩器為核心的電子鐘等，直到現代的原子鐘......
制備鐘表的核心是，鐘內部的控制系統、即鐘擺和游絲等零件的周期要十分穩定，不受外界影響。
目前最精確的鐘是“原子鐘”，其背后的控制系統利用原子中的一條特別穩定的譜線做鐘擺，能做到百億年誤差不到一秒。
但是，隨著相關研究的深入，人們在提高原子鐘的精度時，遇到了新的天花板，科學家幾乎已經窮盡能做原子鐘鐘擺的所有原子譜線。
那么，該如何破局?這時，人們開始使用原子核的譜線來做新一代時鐘的“鐘擺”。大多數原子核譜線的震動誤差，確實比原子譜線的小得多。
但仍然存在的難題是，如何讓原子核“鐘擺”既可控、又高效地震動起來。
1 月 31 日，復旦大學教授符長波擔任共同通訊作者的論文《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》(Femtosecond Pumping of Nuclear Isomeric States by the Coulomb Collision of Ions with Quivering Electrons)解決了上述難題，論文發表在 Physical Review Letters 上 [1]。
圖 | 相關論文(來源：Physical Review Letters)
該工作發現了一種能讓原子核鐘擺超高速運動的方法，可用于核時鐘和核激光等。實驗中，研究人員首次觀測到超快的核激發，這意味著利用激光等離子體、去研究飛秒時間尺度的核過程是可行的。
符長波表示：“從沙漏、擺鐘、到原子鐘、核鐘，是一段長長的追求極致之路。我們希望這次的新方法，能對人類計時器發展有所貢獻。”
圖 | 左起：上海交大物理與天文學院陳黎明教授、論文一作馮杰以及符長波(來源：符長波)
獻給人類發現核同質異能態的第 100 周年的“禮物”
要想理解該研究，先得知道原子核同質異能態。它指的是具有相同質子和中子數的原子核所處的長壽命激發態，相應的核素被稱為核同質異能素。
2022 年，恰逢人類發現核同質異能態的第 100 周年，該論文于此時刊發也頗有紀念意義。而高效激發同質異能態，對于核時標、核電池、天體核素演化、核 γ 射線激光、清潔核能等研究至關重要。
上述應用中的絕大部分，都極其依賴壽命較短的同質異能素的快速激發。但是，對短壽命同核異能態來說，受限于微小的核激發截面、以及快速衰變這倆特點，很難積累大量的較低峰值密度的核激發裝置。
這時，符長波和合作伙伴將靈感指向激光等離子體。激光等離子體的密度極高，當把激光和近固體密度氪(Kr)團簇的非線性共振加熱，就能收獲高密度高能量的電子。
借助該方法，該團隊首次讓高密度快速振蕩的電子，在數十飛秒內庫倫激發出 83Kr 原子核。
實驗中，符長波等人還觀測到同質異能態 83mKr 以 2.34×1015p/s 的超高峰值效率被激發。其中，泵浦效率比傳統加速器高出大約 5 個量級。
另據悉，上海交大激光等離子體實驗室的百太瓦飛秒激光裝置，是完成研究的重要保障，具體實驗布局如下圖所示。
圖 | 實驗布局及實驗結果。(來源：Physical Review Letters)
實驗細節如下，被電離的電子會在激光電場中，沿偏振方向快速振蕩，并在激光場和電荷分離場的共同作用下，做出類似“8”字的運動。
由于大量電子的能量可達兆電子伏，因此會表現出典型的非線性共振的特征。如下圖所示，共振加速的高密度電子，會和相對靜止的高密度 Kr 離子來回碰撞，并以非彈性散射的方式，將能量傳遞給 Kr 原子核，從而讓 83Kr 來到激發態。
圖 | 激光團簇作用的 PIC 模擬及庫倫激發計算。(來源：Physical Review Letters)
據悉，符長波測量的是半衰期為 1.83 小時的第二激發態退激釋放的 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。
在數值模擬中，該團隊利用庫倫核激發理論，去計算各種可能激發路徑的產額和激發效率，讓實驗測得的第二激發態的來源得以確定，激發路徑則為 ground state→3rd state→2nd state(T032)。在誤差范圍內，理論計算的產額和實驗測量互相符合。
此外，該方法對原子核的激發過程，主要發生在激光和團簇作用的激光脈沖寬度約 10 fs 內，估算激發 83mKr 的峰值效率可達 2.34×1015 p/s。
(來源：Physical Review Letters)
“獲得那個令人振奮的 X 射線能譜”
符長波總結稱，該研究從立項到最終獲得成功，主要包含以下步驟：
首先，他們提出了將強激光應用于核激發的想法。 在本工作之前，該團隊就曾利用強激光，成功實現了等離子體環境中的核聚變反應。
同時，他們也是第一個提出使用飛秒強激光轟擊團簇、去驅動同核異能態的課題組。
“仍記得，當初提出這個想法時，我們并沒有十足的信心在實驗上加以實現。因為實驗產物的數量可能極少，能否探測到會是個問題。然而，我并沒有放棄這個想法，仍滿懷希望決定在實驗上一探究竟。”符長波表示。
盡管關于激光和團簇相互作用的過程已有大量報道，但都是集中于原子分子物理的研究，對核物理研究也僅限庫倫爆炸核反應產生中子。
而該團隊在此已積累了長期經驗，深諳如何利用激光和團簇作用中的非線性共振效應，并通過激光電場與電荷分離場的共同作用，去加熱電子并使之與離子碰撞，進而驅動原子 K 鞘層的特征 X 射線輻射。
這樣一來，激光團簇驅動核激發的可行性，主要取決于電子是否能碰撞離子、并使其原子核激發。從物理角度來講，電子碰撞原子核、并將后者激發是毫無疑問的。而從實驗角度來講，選擇一個特定的核素，只要累計足夠的事例數，總能有機會在實驗上將其探測到。
同時，核素的選擇亦是非常巧妙。一開始，符長波把“矛頭”指向氣體團簇，但是自然界中可呈現出氣態的元素并不多，此外該核素還得具備同質異能態、以及較長的壽命，只有這樣才能方便探測。
查完整個核素表，他發現氪的同位素 83Kr 非常的適合，這種稀有氣體不僅容易形成大分子結構的團簇，還具有較大的豐度。
其次，根據現有的激光裝置、診斷設備等條件，該團隊盡可能地設計能復現想法的實驗方案。在實驗設計中，最關鍵的一點便是如何探測激發的核同質異能態，這是整個實驗的關鍵。
符長波說：“我們在這里做了一個巧妙設計，即利用冷阱收集近 2 小時長壽命的 83Kr 同質異能態，再使用大面陣的探測器測量其衰變的輻射，進而確認核同質異能態的產生。憑借該設計，核衰變信號和激光打靶的背景輻射信號得以分開。最后，我們申請到上海交通大學激光等離子體實驗室的機時，順利開展了激光等離子體庫倫核激發的實驗，獲得了那個令人振奮的 X 射線能譜。”
在一片電子學噪聲中尋找真正的信號
整個研究耗時近三年，期間經歷多輪實驗。在第一輪實驗中，該團隊使用 X 射線探測器去測量輻射譜，看著一個一個的脈沖被多道記錄，時間也一分一秒地過去，他們想在一片電子學噪聲中尋找真正的信號，但就是不見特征輻射譜。
隨后，符長波等人嘗試使用大面積成像板，來接收這些既微弱、又無方向的衰變光子。由于成像板沒有能量分辨，在讀出時的噪聲也非常大，為此該團隊額外使用一片成像板作為參考。
在對比兩片成像板上記錄的小點之后，該團隊認為存在衰變輻射的想法也愈發堅定。雖然數據非常粗糙，卻讓他們看到了一絲希望。
考慮到衰變輻射具有長時間、無方向、低產額等特點，該團隊重新設計探測器，在第二輪實驗正式打靶的第一天，就測到了輻射譜。
在成功獲得衰變輻射譜后，他們一度認為核激發是由團簇的“庫侖爆炸”粒子加速激發的，畢竟這種方式完成了課題組在團簇核反應上的第一個成果。
不過，研究人員隨后發現，參考離子能量進行計算后的激發效率，卻和實驗值出現數個量級的差別，這時他們認為應該是另外更有效的激發方式在起作用。
再聯想到電子的非線性共振能把電子能量加熱到兆電子伏，足夠將 83Kr 原子核庫倫激發到第三激發態，這樣的激發效率與理論值吻合較好。同時，由于非線性共振加熱的時間在 20fs 尺度，故他們判定這是一種超快的核激發。
自此，實驗結果得以被完美解釋，研究人員也獲得了正確的激發路徑，并為下一步精確控制這類激發提供了堅實的基礎。
后續，該團隊打算集中研究飛納尺度物理，以強激光為手段去揭示更多新現象。由于原子的大小在納米量級，原子核大小在飛秒量級，因此該團隊把處于原子核與原子之間的尺度叫做飛納尺度。
這個尺度下有大量的謎團，比如人們甚至還不知道質子的電荷分布有多大，中子的壽命有多長。不同的實驗條件，會給出不同的數值，而這一切又無法用測量誤差解釋，這讓學界甚是困惑。
基于此，下一步符長波將利用超強激光的高電磁場、以及短脈沖的特點，對原子核外電子做以高效剝離，借此為原子核弱相互作用、以及電磁作用在飛納尺度交界處的研究提供有效工具。
可以說，本次研究只是一個開端，一些與飛納尺度相關的過程比如電子俘獲核激發和電子橋等，都有待該團隊做以深入探索。
-End-
參考：
1、Feng, J., Wang, W., Fu, C., Chen, L., Tan, J., Li, Y., ... & Zhang, J. (2022). Femtosecond pumping of nuclear isomeric states by the Coulomb collision of ions with quivering electrons. Physical Review Letters, 128(5), 052501.
