生活在一個對智能手機高度依賴的時代里，你是否多少有點「手機充電焦慮」？對有電量焦慮的人來說，不帶充電器簡直不敢出門，手機屏幕右上角的100%，就是他們安全感的來源。而當電量即將耗盡，那一定是最令人抓狂的時候：如果此時能擁有一塊不需充電的電池就好了！
能讓電動汽車、宇宙飛船無限續航的超級電池，是科幻作品的基本配置，也是科學家們致力於研究實現的目標。完美的電池應該具備哪些特點呢？我們期待它能量巨大(單位質量儲存的能量越多越好)，儲能超久(放置多年也不會失效)，性質穩定，安全可靠。
製造這種電池並不是遙不可及的夢想，因為大自然已經提供了相應的物質形態——處於長壽命同核異能態的核素。不過人類至今還未能駕馭這種能量，仍需克服重重困難，去尋找靈活利用它的方法。
寶山在前，能夠滿載而歸嗎？
圖 同核異能態有望被用於新一代高能量密度核電池等產品的研發 圖| 郭松
NO.1
美人如花隔雲端
如同人有悲歡離合、月有陰晴圓缺，渺小的原子核也會處於許多不同的狀態：其中，能量最低的被稱為基態，其它的被稱為激發態。對於壽命較長的激發態（一般大於10納秒），科學家們把它們稱為同核異能態。自1921年奧托·哈恩和莉澤·邁特納發現同核異能態，歷經百年探索，人們已經發現了2500多種同核異能態。
圖 哈恩與邁特納 圖源| wikipedia
一些同核異能態的激發能可以達到數百萬電子伏。如果用普通充電寶尺寸的同核異能態材料作為電池，其電量可供目前的一部手機持續工作數千年。
有些原子核的同核異能態，具有特別長的壽命，比如鉭-180中存在一個壽命超過七千萬億年的同核異能態；而有的同核異能態兼具高激發能和長壽命，比如鉿-178中的第二個同核異能態，具有二百五十萬電子伏的激發能和31年的半衰期。另外，同核異能態幾乎不受化學過程的影響，具有非常優秀的穩定性。
不過在自然狀態下，如果某種同核異能態有上萬年的壽命，其能量就會在數萬年間緩滿放出。如若不能找到一條釋放能量的捷徑，它就只能應用在非常有限的場景中。目前，完美的核電池看上去就像飄渺的美景，可望而不可及。
NO.2
重門深鎖無尋處
那麼，用什麼辦法能快速釋放同核異能態儲藏的能量呢？目前，公認的途徑是通過誘發退激:將同核異能態激發到其相鄰的短壽命能級，再從短壽命能級退激到基態，在這個過程中使其釋放出所有的能量。
科學家們希望能找到一種非常高效且可控的方式，達到核激發的目的——用較小的能量觸發激發過程，釋放出大量能量。
人們曾一度認為，誘發退激即將付諸應用。1999年，美國科學家科林斯使用X射線轟擊半衰期為31年的鉿-178m2同核異能態，發現其退激速度增加了約4%。這一發現迅速得到了美國軍方的重視，他們很快制定了研發伽馬炸彈的計劃。如果成功，利用X射線觸發，伽馬炸彈可瞬間產生相當於核彈的破壞力。不過，後續研究表明，X射線的激發效率遠遠達不到應用要求，該計劃也最終流產。
圖 在漫威漫畫中，伽馬炸彈是班納博士設計的核武器，可以輸出超強的伽馬射線能量。
科學家們發現，利用帶電離子、X或γ光子轟擊原子核，可以通過庫倫激發、光吸收來實現原子核的激發。然而到目前為止，實驗測量到的激發幾率都相當低。這或許表明，用直接的手段激發原子核的思路不太可行。畢竟，原子核的體積小的可憐，只佔整個原子體積的幾千億分之一。當人們用離子或光子轟擊物質時，能接觸到原子核的幾率本就不高。
NO.3
卻疑春色在鄰家
在看起來山窮水盡之時，科學家想到了原子核的好鄰居——電子。
原子是由原子核與核外電子組成的量子體系。束縛在原子內的電子，分布在一系列電子軌道上。如果外來電子佔據軌道，或電子在不同軌道之間切換，會釋放能量（通常會發射X光子）。如果放出的能量恰好與核激發所需能量相當，則可能會引發共振過程——激發原子核，而不再放出光子。
科學家們從而提出了兩種激發機制：電子躍遷激發和電子俘獲激發。
電子躍遷激發，是利用電子在不同軌道間的躍遷誘發共振過程激發原子核，因此要求電子躍遷放出的能量與核激發所需能量非常接近。該機制已通過實驗在金-197基態的激發中被證實。不過，由於該過程對能級能量的要求非常苛刻，目前人們還未發現能滿足相應能量要求的同核異能態。
電子俘獲激發，則是利用外來電子佔據軌道時放出的能量。由於外來電子原有的動能也會參與共振過程，精準控制電子動能即可精確滿足共振條件。因而，對該機制的研究近年來備受學界青睞。
圖 電子躍遷激發和電子俘獲激發的原理圖。圖| 郭松
NO.4
草色遙看近卻無
2018年，利用電子俘獲激發同核異能態的研究迎來重要突破。美國科學家在《自然》雜誌報道了首次在實驗中觀測到鉬-93的同核異能態（鉬-93m）的電子俘獲致核激發現象，並提取了一個相當大的激發幾率(約等於1%)。相比其它已知機制，電子俘獲看起來高效得多。
然而，隨後不久，有理論學者估算了在該實驗條件下鉬-93m的激發幾率，得到了相當低的計算值(約10-11)，使得理論和實驗之間出現了9個數量級的巨大差異。
為理解理論和實驗間的分歧，中國科學院近代物理研究所的研究者從實驗角度仔細評估了該實驗。在發生電子俘獲致核激發的情況下，短時間內會產生稀有的特定能量的光子。然而這項實驗中，束流與靶發生初級反應，也會產生大量光子，形成厚重而複雜的本底，光強大概是目標光子的幾億到幾萬億倍。
圖 美國阿貢國家實驗室的GAMMASPHERE探測陣列被用於捕捉和測量這些稀有光子。圖源| 美國阿貢國家實驗室
近代物理所的研究者們通過論證發現，這項工作的本底並沒有被恰當扣除，可能會導致把本底的貢獻誤認為是電子俘獲致核激發，從而高估其激發幾率。2020年，近代物理所研究者將相關評論發表在《自然》雜誌的「Matters Arising」欄目上，進一步引發了學界對於電子俘獲致核激發機制的討論。
NO.5
夜涼沙際淡螢流
由於光譜的本底厚重而複雜，在這種環境中尋找稀有事件本就是非常困難的事。就像在陽光里尋找閃爍的螢火蟲，即使知道那是特別的綠光，也容易被強烈的光線掩蓋。為何不像每個頑皮的孩子一樣，在黑夜裡尋覓螢火蟲呢？
為了擺脫厚重本底的影響，近代物理所的科研人員及合作者基於蘭州重離子加速器裝置（HIRFL）的放射性束流線RIBLL1，創造性地利用同核異能態束流研究了電子俘獲致核激發現象。相關研究於2022年6月17日發表在《物理評論快報》上。
研究者們提出了改進的實驗方案：利用約35米的放射性束流線把鉬-93m分離、傳輸到低本底測量區。這使得電子俘獲致核激發過程遠離初級反應，厚重本底不會對實驗測量帶來影響。
圖 利用約35米的放射性束流線把鉬-93m分離、傳輸到低本底測量區，實驗的測量精度顯著提高。圖| 郭松
電子俘獲致核激發的現象預期在鉬-93m離子注入探測端的一瞬間發生。因此，利用注入信號定時，只搜索那一剎那的光子，能進一步減少無關光子的影響，提高探測精度。
圖 實驗測量端。使用5台高純鍺探測器測量光子，放置在鋁合金方盒中的塑料閃爍體探測器探測注入離子。
實驗中，約有1.3億鉬-93m離子進入探測區域，然而，研究者們最終並沒有觀測到電子俘獲致核激發的現象，提取的實驗激發幾率的上限值僅為2×10-5。審稿人認為：「這項工作與此前報道相比，結果更加可靠，測量精度也有了顯著的提高。」
這項研究表明，同核異能態離子在固體材料中慢化和阻停的過程中，激發幾率很小，這與多項理論工作的預期一致。這項工作驗證了利用同核異能態束流研究電子俘獲致核激發的可行性和必要性，為後續研究指明了方向。
NO.6
結語
雖然新的研究表明，電子俘獲致核激發在阻停過程中不會高效產生，但並未否定其付諸應用的可能性。對於這樣一個共振機制，在充分研究之前，只能在低幾率條件下開展實驗探測。在明確主導因素之後，仍有希望通過精妙的設計顯著提高核激發效率。
作為大自然的豐厚饋贈，原子核的同核異能態具有非常優異的儲能潛力，如能付諸應用，必將深刻改變人類社會。即使其應用前景依然遙遠，仍需開展充分的基礎研究。
感謝中國核物理學會的支持。
作者| 郭松 劉芳
論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.242502
參考文獻：
1. Philip Walker and Zsolt Podolyák, Physics Script 95 (2020) 044004；
2. Philip Walker and George Dracoulis, Nature 399 (1999) 35;
3. C. B. Collins, et al., Physical Review Letters 82 (1999) 695;
4. S. Kishimoto, et al., Physical Review Letters 85 (2000) 1831;
5. Adriana Pálffy, et al., Physical Review A 73 (2006) 012715;
6. C. J. Chiara, et al., Nature 554 (2018) 216;
7. Y. Wu, et al., Physical Review Letters 112 (2019) 212501;
8. S. Guo, et al., Nature 594 (2021) E1;
9. https://www.newscientist.com/article/dn4049-gamma-ray-weapons-could-trigger-next-arms-race/
