生活在一个对智能手机高度依赖的时代里，你是否多少有点“手机充电焦虑”？对有电量焦虑的人来说，不带充电器简直不敢出门，手机屏幕右上角的100%，就是他们安全感的来源。而当电量即将耗尽，那一定是最令人抓狂的时候：如果此时能拥有一块不需充电的电池就好了！
能让电动汽车、宇宙飞船无限续航的超级电池，是科幻作品的基本配置，也是科学家们致力于研究实现的目标。完美的电池应该具备哪些特点呢？我们期待它能量巨大(单位质量储存的能量越多越好)，储能超久(放置多年也不会失效)，性质稳定，安全可靠。
制造这种电池并不是遥不可及的梦想，因为大自然已经提供了相应的物质形态——处于长寿命同核异能态的核素。不过人类至今还未能驾驭这种能量，仍需克服重重困难，去寻找灵活利用它的方法。
宝山在前，能够满载而归吗？
图 同核异能态有望被用于新一代高能量密度核电池等产品的研发 图| 郭松
NO.1
美人如花隔云端
如同人有悲欢离合、月有阴晴圆缺，渺小的原子核也会处于许多不同的状态：其中，能量最低的被称为基态，其它的被称为激发态。对于寿命较长的激发态（一般大于10纳秒），科学家们把它们称为同核异能态。自1921年奥托·哈恩和莉泽·迈特纳发现同核异能态，历经百年探索，人们已经发现了2500多种同核异能态。
图 哈恩与迈特纳 图源| wikipedia
一些同核异能态的激发能可以达到数百万电子伏。如果用普通充电宝尺寸的同核异能态材料作为电池，其电量可供目前的一部手机持续工作数千年。
有些原子核的同核异能态，具有特别长的寿命，比如钽-180中存在一个寿命超过七千万亿年的同核异能态；而有的同核异能态兼具高激发能和长寿命，比如铪-178中的第二个同核异能态，具有二百五十万电子伏的激发能和31年的半衰期。另外，同核异能态几乎不受化学过程的影响，具有非常优秀的稳定性。
不过在自然状态下，如果某种同核异能态有上万年的寿命，其能量就会在数万年间缓满放出。如若不能找到一条释放能量的捷径，它就只能应用在非常有限的场景中。目前，完美的核电池看上去就像飘渺的美景，可望而不可及。
NO.2
重门深锁无寻处
那么，用什么办法能快速释放同核异能态储藏的能量呢？目前，公认的途径是通过诱发退激:将同核异能态激发到其相邻的短寿命能级，再从短寿命能级退激到基态，在这个过程中使其释放出所有的能量。
科学家们希望能找到一种非常高效且可控的方式，达到核激发的目的——用较小的能量触发激发过程，释放出大量能量。
人们曾一度认为，诱发退激即将付诸应用。1999年，美国科学家科林斯使用X射线轰击半衰期为31年的铪-178m2同核异能态，发现其退激速度增加了约4%。这一发现迅速得到了美国军方的重视，他们很快制定了研发伽马炸弹的计划。如果成功，利用X射线触发，伽马炸弹可瞬间产生相当于核弹的破坏力。不过，后续研究表明，X射线的激发效率远远达不到应用要求，该计划也最终流产。
图 在漫威漫画中，伽马炸弹是班纳博士设计的核武器，可以输出超强的伽马射线能量。
科学家们发现，利用带电离子、X或γ光子轰击原子核，可以通过库伦激发、光吸收来实现原子核的激发。然而到目前为止，实验测量到的激发几率都相当低。这或许表明，用直接的手段激发原子核的思路不太可行。毕竟，原子核的体积小的可怜，只占整个原子体积的几千亿分之一。当人们用离子或光子轰击物质时，能接触到原子核的几率本就不高。
NO.3
却疑春色在邻家
在看起来山穷水尽之时，科学家想到了原子核的好邻居——电子。
原子是由原子核与核外电子组成的量子体系。束缚在原子内的电子，分布在一系列电子轨道上。如果外来电子占据轨道，或电子在不同轨道之间切换，会释放能量（通常会发射X光子）。如果放出的能量恰好与核激发所需能量相当，则可能会引发共振过程——激发原子核，而不再放出光子。
科学家们从而提出了两种激发机制：电子跃迁激发和电子俘获激发。
电子跃迁激发，是利用电子在不同轨道间的跃迁诱发共振过程激发原子核，因此要求电子跃迁放出的能量与核激发所需能量非常接近。该机制已通过实验在金-197基态的激发中被证实。不过，由于该过程对能级能量的要求非常苛刻，目前人们还未发现能满足相应能量要求的同核异能态。
电子俘获激发，则是利用外来电子占据轨道时放出的能量。由于外来电子原有的动能也会参与共振过程，精准控制电子动能即可精确满足共振条件。因而，对该机制的研究近年来备受学界青睐。
图 电子跃迁激发和电子俘获激发的原理图。图| 郭松
NO.4
草色遥看近却无
2018年，利用电子俘获激发同核异能态的研究迎来重要突破。美国科学家在《自然》杂志报道了首次在实验中观测到钼-93的同核异能态（钼-93m）的电子俘获致核激发现象，并提取了一个相当大的激发几率(约等于1%)。相比其它已知机制，电子俘获看起来高效得多。
然而，随后不久，有理论学者估算了在该实验条件下钼-93m的激发几率，得到了相当低的计算值(约10-11)，使得理论和实验之间出现了9个数量级的巨大差异。
为理解理论和实验间的分歧，中国科学院近代物理研究所的研究者从实验角度仔细评估了该实验。在发生电子俘获致核激发的情况下，短时间内会产生稀有的特定能量的光子。然而这项实验中，束流与靶发生初级反应，也会产生大量光子，形成厚重而复杂的本底，光强大概是目标光子的几亿到几万亿倍。
图 美国阿贡国家实验室的GAMMASPHERE探测阵列被用于捕捉和测量这些稀有光子。图源| 美国阿贡国家实验室
近代物理所的研究者们通过论证发现，这项工作的本底并没有被恰当扣除，可能会导致把本底的贡献误认为是电子俘获致核激发，从而高估其激发几率。2020年，近代物理所研究者将相关评论发表在《自然》杂志的“Matters Arising”栏目上，进一步引发了学界对于电子俘获致核激发机制的讨论。
NO.5
夜凉沙际淡萤流
由于光谱的本底厚重而复杂，在这种环境中寻找稀有事件本就是非常困难的事。就像在阳光里寻找闪烁的萤火虫，即使知道那是特别的绿光，也容易被强烈的光线掩盖。为何不像每个顽皮的孩子一样，在黑夜里寻觅萤火虫呢？
为了摆脱厚重本底的影响，近代物理所的科研人员及合作者基于兰州重离子加速器装置（HIRFL）的放射性束流线RIBLL1，创造性地利用同核异能态束流研究了电子俘获致核激发现象。相关研究于2022年6月17日发表在《物理评论快报》上。
研究者们提出了改进的实验方案：利用约35米的放射性束流线把钼-93m分离、传输到低本底测量区。这使得电子俘获致核激发过程远离初级反应，厚重本底不会对实验测量带来影响。
图 利用约35米的放射性束流线把钼-93m分离、传输到低本底测量区，实验的测量精度显著提高。图| 郭松
电子俘获致核激发的现象预期在钼-93m离子注入探测端的一瞬间发生。因此，利用注入信号定时，只搜索那一刹那的光子，能进一步减少无关光子的影响，提高探测精度。
图 实验测量端。使用5台高纯锗探测器测量光子，放置在铝合金方盒中的塑料闪烁体探测器探测注入离子。
实验中，约有1.3亿钼-93m离子进入探测区域，然而，研究者们最终并没有观测到电子俘获致核激发的现象，提取的实验激发几率的上限值仅为2×10-5。审稿人认为：“这项工作与此前报道相比，结果更加可靠，测量精度也有了显著的提高。”
这项研究表明，同核异能态离子在固体材料中慢化和阻停的过程中，激发几率很小，这与多项理论工作的预期一致。这项工作验证了利用同核异能态束流研究电子俘获致核激发的可行性和必要性，为后续研究指明了方向。
NO.6
结语
虽然新的研究表明，电子俘获致核激发在阻停过程中不会高效产生，但并未否定其付诸应用的可能性。对于这样一个共振机制，在充分研究之前，只能在低几率条件下开展实验探测。在明确主导因素之后，仍有希望通过精妙的设计显著提高核激发效率。
作为大自然的丰厚馈赠，原子核的同核异能态具有非常优异的储能潜力，如能付诸应用，必将深刻改变人类社会。即使其应用前景依然遥远，仍需开展充分的基础研究。
感谢中国核物理学会的支持。
作者| 郭松 刘芳
论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.242502
参考文献：
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;
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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/
