自古以来，计时时钟的发展历经诸多阶段，从沙漏、机械臂摆钟、手表&怀表、以晶体振荡器为核心的电子钟等，直到现代的原子钟......
制备钟表的核心是，钟内部的控制系统、即钟摆和游丝等零件的周期要十分稳定，不受外界影响。
目前最精确的钟是“原子钟”，其背后的控制系统利用原子中的一条特别稳定的谱线做钟摆，能做到百亿年误差不到一秒。
但是，随着相关研究的深入，人们在提高原子钟的精度时，遇到了新的天花板，科学家几乎已经穷尽能做原子钟钟摆的所有原子谱线。
那么，该如何破局?这时，人们开始使用原子核的谱线来做新一代时钟的“钟摆”。大多数原子核谱线的震动误差，确实比原子谱线的小得多。
但仍然存在的难题是，如何让原子核“钟摆”既可控、又高效地震动起来。
1 月 31 日，复旦大学教授符长波担任共同通讯作者的论文《飞秒泵浦时抖动电子与离子库伦碰撞所产生的同质异能态》(Femtosecond Pumping of Nuclear Isomeric States by the Coulomb Collision of Ions with Quivering Electrons)解决了上述难题，论文发表在 Physical Review Letters 上 [1]。
图 | 相关论文(来源：Physical Review Letters)
该工作发现了一种能让原子核钟摆超高速运动的方法，可用于核时钟和核激光等。实验中，研究人员首次观测到超快的核激发，这意味着利用激光等离子体、去研究飞秒时间尺度的核过程是可行的。
符长波表示：“从沙漏、摆钟、到原子钟、核钟，是一段长长的追求极致之路。我们希望这次的新方法，能对人类计时器发展有所贡献。”
图 | 左起：上海交大物理与天文学院陈黎明教授、论文一作冯杰以及符长波(来源：符长波)
献给人类发现核同质异能态的第 100 周年的“礼物”
要想理解该研究，先得知道原子核同质异能态。它指的是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。
2022 年，恰逢人类发现核同质异能态的第 100 周年，该论文于此时刊发也颇有纪念意义。而高效激发同质异能态，对于核时标、核电池、天体核素演化、核 γ 射线激光、清洁核能等研究至关重要。
上述应用中的绝大部分，都极其依赖寿命较短的同质异能素的快速激发。但是，对短寿命同核异能态来说，受限于微小的核激发截面、以及快速衰变这俩特点，很难积累大量的较低峰值密度的核激发装置。
这时，符长波和合作伙伴将灵感指向激光等离子体。激光等离子体的密度极高，当把激光和近固体密度氪(Kr)团簇的非线性共振加热，就能收获高密度高能量的电子。
借助该方法，该团队首次让高密度快速振荡的电子，在数十飞秒内库伦激发出 83Kr 原子核。
实验中，符长波等人还观测到同质异能态 83mKr 以 2.34×1015p/s 的超高峰值效率被激发。其中，泵浦效率比传统加速器高出大约 5 个量级。
另据悉，上海交大激光等离子体实验室的百太瓦飞秒激光装置，是完成研究的重要保障，具体实验布局如下图所示。
图 | 实验布局及实验结果。(来源：Physical Review Letters)
实验细节如下，被电离的电子会在激光电场中，沿偏振方向快速振荡，并在激光场和电荷分离场的共同作用下，做出类似“8”字的运动。
由于大量电子的能量可达兆电子伏，因此会表现出典型的非线性共振的特征。如下图所示，共振加速的高密度电子，会和相对静止的高密度 Kr 离子来回碰撞，并以非弹性散射的方式，将能量传递给 Kr 原子核，从而让 83Kr 来到激发态。
图 | 激光团簇作用的 PIC 模拟及库伦激发计算。(来源：Physical Review Letters)
据悉，符长波测量的是半衰期为 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、Kβ(2nd→1st)和 9.4 keV(1st→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。
在数值模拟中，该团队利用库伦核激发理论，去计算各种可能激发路径的产额和激发效率，让实验测得的第二激发态的来源得以确定，激发路径则为 ground state→3rd state→2nd state(T032)。在误差范围内，理论计算的产额和实验测量互相符合。
此外，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。
(来源：Physical Review Letters)
“获得那个令人振奋的 X 射线能谱”
符长波总结称，该研究从立项到最终获得成功，主要包含以下步骤：
首先，他们提出了将强激光应用于核激发的想法。 在本工作之前，该团队就曾利用强激光，成功实现了等离子体环境中的核聚变反应。
同时，他们也是第一个提出使用飞秒强激光轰击团簇、去驱动同核异能态的课题组。
“仍记得，当初提出这个想法时，我们并没有十足的信心在实验上加以实现。因为实验产物的数量可能极少，能否探测到会是个问题。然而，我并没有放弃这个想法，仍满怀希望决定在实验上一探究竟。”符长波表示。
尽管关于激光和团簇相互作用的过程已有大量报道，但都是集中于原子分子物理的研究，对核物理研究也仅限库伦爆炸核反应产生中子。
而该团队在此已积累了长期经验，深谙如何利用激光和团簇作用中的非线性共振效应，并通过激光电场与电荷分离场的共同作用，去加热电子并使之与离子碰撞，进而驱动原子 K 鞘层的特征 X 射线辐射。
这样一来，激光团簇驱动核激发的可行性，主要取决于电子是否能碰撞离子、并使其原子核激发。从物理角度来讲，电子碰撞原子核、并将后者激发是毫无疑问的。而从实验角度来讲，选择一个特定的核素，只要累计足够的事例数，总能有机会在实验上将其探测到。
同时，核素的选择亦是非常巧妙。一开始，符长波把“矛头”指向气体团簇，但是自然界中可呈现出气态的元素并不多，此外该核素还得具备同质异能态、以及较长的寿命，只有这样才能方便探测。
查完整个核素表，他发现氪的同位素 83Kr 非常的适合，这种稀有气体不仅容易形成大分子结构的团簇，还具有较大的丰度。
其次，根据现有的激光装置、诊断设备等条件，该团队尽可能地设计能复现想法的实验方案。在实验设计中，最关键的一点便是如何探测激发的核同质异能态，这是整个实验的关键。
符长波说：“我们在这里做了一个巧妙设计，即利用冷阱收集近 2 小时长寿命的 83Kr 同质异能态，再使用大面阵的探测器测量其衰变的辐射，进而确认核同质异能态的产生。凭借该设计，核衰变信号和激光打靶的背景辐射信号得以分开。最后，我们申请到上海交通大学激光等离子体实验室的机时，顺利开展了激光等离子体库伦核激发的实验，获得了那个令人振奋的 X 射线能谱。”
在一片电子学噪声中寻找真正的信号
整个研究耗时近三年，期间经历多轮实验。在第一轮实验中，该团队使用 X 射线探测器去测量辐射谱，看着一个一个的脉冲被多道记录，时间也一分一秒地过去，他们想在一片电子学噪声中寻找真正的信号，但就是不见特征辐射谱。
随后，符长波等人尝试使用大面积成像板，来接收这些既微弱、又无方向的衰变光子。由于成像板没有能量分辨，在读出时的噪声也非常大，为此该团队额外使用一片成像板作为参考。
在对比两片成像板上记录的小点之后，该团队认为存在衰变辐射的想法也愈发坚定。虽然数据非常粗糙，却让他们看到了一丝希望。
考虑到衰变辐射具有长时间、无方向、低产额等特点，该团队重新设计探测器，在第二轮实验正式打靶的第一天，就测到了辐射谱。
在成功获得衰变辐射谱后，他们一度认为核激发是由团簇的“库仑爆炸”粒子加速激发的，毕竟这种方式完成了课题组在团簇核反应上的第一个成果。
不过，研究人员随后发现，参考离子能量进行计算后的激发效率，却和实验值出现数个量级的差别，这时他们认为应该是另外更有效的激发方式在起作用。
再联想到电子的非线性共振能把电子能量加热到兆电子伏，足够将 83Kr 原子核库伦激发到第三激发态，这样的激发效率与理论值吻合较好。同时，由于非线性共振加热的时间在 20fs 尺度，故他们判定这是一种超快的核激发。
自此，实验结果得以被完美解释，研究人员也获得了正确的激发路径，并为下一步精确控制这类激发提供了坚实的基础。
后续，该团队打算集中研究飞纳尺度物理，以强激光为手段去揭示更多新现象。由于原子的大小在纳米量级，原子核大小在飞秒量级，因此该团队把处于原子核与原子之间的尺度叫做飞纳尺度。
这个尺度下有大量的谜团，比如人们甚至还不知道质子的电荷分布有多大，中子的寿命有多长。不同的实验条件，会给出不同的数值，而这一切又无法用测量误差解释，这让学界甚是困惑。
基于此，下一步符长波将利用超强激光的高电磁场、以及短脉冲的特点，对原子核外电子做以高效剥离，借此为原子核弱相互作用、以及电磁作用在飞纳尺度交界处的研究提供有效工具。
可以说，本次研究只是一个开端，一些与飞纳尺度相关的过程比如电子俘获核激发和电子桥等，都有待该团队做以深入探索。
-End-
参考：
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.
