核同质异能态是指具有相同质子、中子数的原子核所处的激发态，相应的这些元素互称为核同质异能素，今年又恰逢核同质异能态被发现100年。核同质异能态的高效激发对于诸如核时标、核电池、清洁核能和核γ射线激光等开创性应用至关重要。然而，由于微小的核激发截面和快速衰变这两个特点，很难通过传统的加速器或反应堆这些较低峰值密度的核激发装置积累大量短寿命的同质异能素，这就成为同质异能素应用领域最大的瓶颈问题。
本工作是利用上海交大激光等离子体实验室的百太瓦级飞秒激光装置进行，实验布局如图1所示。
图 1. 实验布局图
在相对论激光电离团簇后，被电离的电子在激光电场中沿偏振方向快速振荡，电子在激光场和电荷分离场的共同作用下做类“8”字型运动，能量可达MeV，呈现出典型的非线性共振的特征。非线性共振加速的高密度电子来回和相对静止的高密度Kr离子碰撞（如图3的PIC模拟所示），通过非弹性散射将能量传递给Kr原子核从而库伦激发83Kr到激发态。本工作中测量的是半衰期为1.83 h的2nd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。
图 2. (a) 同质异能态退激释放的X射线谱；(b) 随时间衰变的产额及半衰期拟合。
数值模拟并利用库伦核激发理论计算了各种可能激发路径的产额和激发效率，确定了实验测得的2nd激发态的来源，其激发路径为ground state→3rd state→2nd state (T032)，理论计算的产额和实验测量非常吻合。更重要的是，库伦激发主要发生在激光和团簇作用的激光脉冲宽度内~10 fs，估算库伦激发83mKr3的峰值效率可达2.34×1015 p/s。这种高效、通用的核同质异能素激发方法可广泛应用于激发态寿命短至皮秒的同位素，对核γ射线激光和深入理解核跃迁机制具有重要意义。据此，继广泛研究的激光等离子体加速器之后，等离子体激发器将成为激光等离子体加速的另外一个重要的研究和应用领域。
图 3. 激光团簇作用的PIC模拟及库伦激发计算。(a-d) 不同时刻激光团簇作用的电子分布；(e) 团簇区域电子、离子密度随时间的演化；(f) 团簇区域电子能量随时间的演化；(g) 各个激发路径的激发效率及产额。
该研究成果以“Femtosecond Pumping of Nuclear Isomeric States by the Coulomb Collision of Ions with Quivering Electrons”为题于2022年1月31日发表于Physical Review Letters 128, 052501(2022)。物理与天文学院博士后冯杰为论文第一作者。本工作主要由科学挑战计划、国家自然科学基金、中国科学院战略重点研究计划、国家重点研发项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.052501
