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

文章图片

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.