转自：中国科学报

如果把原子核比作一座微型“能量宝库”，那么“同核异能态”就是这座宝库中最特别的存在——它像一个被精心锁住的储能罐，里面封存着巨大能量，却偏偏难以自发释放。这种特殊的原子核激发态，凭借较长的寿命和超高的能量密度，成为科学家眼中极具潜力的“能量载体”。

想象一下，要是能找到钥匙按需开启这个“宝库”，核电池就能实现超长续航，伽马射线激光能精准作用于目标，甚至深空探测、电网调峰都能获得全新的能量解决方案。但几十年来，如何安全、快速地触发同核异能态的能量释放，一直是横亘在科研人员面前的核心难题。

2月6日，在中国科学院近代物理研究所，郭松研究员、丁兵副研究员带领的团队，用五六年时间瞄准钼-93的同核异能态（即钼-93m）展开攻关，终于用精准的实验数据揭开了能量释放的神秘面纱，澄清了学界长期以来的争议，为这座“能量宝库”找到了关键的“解锁密码”。相关论文发表于《物理评论快报》。

偶然结缘：一场学术争论背后的探索之旅

故事的开端，源于一次偶然的学术关注。多年前，郭松原本专注于另一项核结构研究，当时他们正对美国科研团队的一项物理成果提出质疑，准备撰写一篇文章。由于缺乏这类文章的写作经验，团队成员四处寻找参考范例，而南开大学吴远彬教授推荐的一篇理论文章，意外将他们的注意力引向了钼-93的同核异能态研究。

“本来只是想借鉴文章的写作格式，没想到看着看着就发现了问题。” 郭松回忆道。这篇理论文章针对美国有关实验室发表的实验成果提出了质疑——美方团队声称在钼-93的同核异能态研究中，观测到了1%的能量释放几率，并认为这一现象源于 “电子俘获致核激发（NEEC）” 机制，即电子被原子核俘获后引发能量释放。但这篇理论文章却指出，从理论计算来看，这种机制的发生几率极低，根本无法达到美方声称的水平。

这一矛盾让郭松团队产生了浓厚的兴趣。他们深入研究后发现，关于钼- 93m能量释放机制的争议早已存在：一派以美方实验团队为代表，认为 NEEC 机制是主要驱动力，激发几率可达1%；另一派则通过更微观、更严谨的理论计算，得出激发几率仅为10的-11次方的结论，双方各执一词，谁也无法说服对方。

“虽然当时我们对这个领域的物理机制还不太熟悉，但实验方法上和我们的研究是相通的。”丁兵补充道。通过仔细分析美方发表的实验数据，团队发现其在本底处理、数据解读等方面存在明显漏洞。基于多年的实验经验，他们判断这个争议背后一定隐藏着真相，而通过精准的实验验证，或许能为这场争论画上句号。

就这样，一场原本为了借鉴写作格式的偶然之举，最终演变成了一项持续五六年的研究。团队迅速调整方向，将钼-93的同核异能态作为研究焦点，一场跨越国界的学术探索正式启动。

在“噪音”中捕捉微弱信号的艰难征程

要解开钼- 93m的能量释放之谜，首先要克服的是实验装置的 “水土不服”。团队的实验依托兰州重离子研究装置（HIRFL）的放射性束流线（RIBLL）开展，而这条束流线原本是为中能束流设计的，能量范围在每核子70-80兆电子伏，采用的是 “弹核碎裂” 机制产生束流。但钼-93的同核异能态具有较高的角动量（21/2?），这种产生方式无法满足实验需求。

“弹核碎裂就像炮弹高速飞行时撞到原子核，损失部分核子后继续前进，这种方式产生的束流角动量较低，很难形成我们需要的同核异能态。”郭松解释道。经过反复研讨，团队决定采用“熔合蒸发反应”机制——让两个原子核低速碰撞并熔合，形成复合核后蒸发部分核子，从而布居目标核的高角动量态。但这种方式产生的能量仅为五六兆电子伏每核子，与束流线的设计初衷相差甚远，一系列难题也随之而来。

第一次实验的核心目标是“探路”，团队特意选择了氪-86作为束流材料、碳12作为靶材，尽可能降低实验难度。但即便如此，挑战依然超出预期。由于束流能量过低，束流线上没有对应的监测设备，研究人员只能“盲调”——不知道束流是否存在、强度如何，完全依靠后期数据反馈判断。更棘手的是，低能束流带来的本底干扰极强，束流纯度不足1%，就像在嘈杂的人群中寻找一个微弱的声音，难度极大。

“第一天调了一整天，什么信号都没看到，心里完全没底。”丁兵回忆起当时的场景仍历历在目。由于钼-93同核异能态的寿命约为10小时，研究人员需要等待数小时才能看到特征衰变信号。在焦急的等待中，他们终于在实验启动后的几个小时，观测到了预期的特征衰变曲线，这才稍稍松了口气。

为了解决在束本底干扰问题，团队创新性地提出了“时空分离”策略。他们利用束流传输过程中的距离和墙体阻隔，让束流在35米长的传输线中运行，天然屏蔽掉大部分反应初期产生的伽马射线本底。“美方实验是让原子核反应后立即测量，本底和信号混在一起，需要处理厚重的干扰；而我们通过时空分离，把本底压缩到几千到几万倍，大大提高了测量的准确度。”郭松说。

第二次实验中，团队进一步升级方案，核心是提高束流能量和纯度。他们将束流能量提升至十几兆电子伏每核子，同时解决了高熔点材料的束流制备难题。钼-93的氧化物熔点高达三四千摄氏度，无法直接用于束流制备，团队联合中国有研科技集团有限公司，通过化学方法将其转化为熔点仅600摄氏度的氟化物，成功解决了这一关键问题。

靶材方面，团队改用氦气靶替代传统的固体靶，为了提高氦气密度，需要用液氮将其冷却至低温，但氦气穿透力极强，靶体频繁漏气，研究人员每天都要反复补气，确保实验持续进行。

实验过程中的意外更是家常便饭。第二次实验初期，团队为了监测束流位置，在束流线中间加装了一个位置探测装置，没想到这个装置竟然阻挡了90%以上的束流，导致前三天完全没有获得有效数据。“我们一开始估计它只会阻挡10%的束流，没想到影响这么大。”郭松无奈地说。在紧急拆除这个装置后，实验才得以正常推进。

数据分析阶段同样充满挑战。第一次实验中，能量谱在运行六七十个小时后突然漂移，2兆电子伏以上的信号全部偏移到其他通道，团队只能手动修正刻度系数；第二次实验中，面对“似有似无”的信号峰，他们反复调整飞行时间、能量信号等参数，对比碳膜、铅膜、金膜三种不同靶材的实验结果，最终通过交叉验证锁定了关键数据——铅膜中钼-93m的能量释放几率约为十万分之二，碳膜中约为百万分之五。

这组数据与离子-离子非弹性散射的理论预测高度吻合，却远高于NEEC机制的理论预期，清晰地证明了钼-93m在固体材料中减速时，能量释放主要由离子间碰撞驱动，而非美方声称的NEEC机制。

澄清争议后的科学价值与未来航向

当最终的实验结果浮出水面时，团队成员并没有想象中的狂喜，更多的是如释重负。五六年的坚守、两次实验的反复验证、无数次的数据分析，他们用扎实的实验数据，为这场持续多年的学术争议画上了圆满的句号。

“我们的结果出来后，那些基于美方实验数据开展的理论研究，就不需要再强行提高几率去贴合实验了。”郭松介绍道。此前，部分理论研究为了匹配美方声称的1%激发几率，尝试了各种方法调整模型参数，但始终无法合理解释。而团队的实验数据明确了能量释放的主要机制，为理论研究提供了可靠的参考基准。

这项研究的科学价值远不止于此。在实验层面，它改变了同核异能态研究的传统范式—— 此前依赖 “阻停激发” 的实验思路被证实难以奏效，学界开始转向离子阱、储存环等新装置，探索在共振条件下观测NEEC现象的可能。在天体物理领域，该成果提供了关键的实验参数，为理解恒星内部、等离子体等极端环境中的核反应行为提供了可靠支撑。“天体环境的温度极高，原子核可能处于激发态，我们的实验数据能帮助理论学家更准确地模拟这些过程。” 丁兵解释道。

在应用前景方面，虽然核电池、伽马射线激光等技术的落地仍需时日，但这项研究为相关探索指明了方向。同核异能态作为高能量密度储能载体，若能实现可控释放，有望应用于电网调峰、深空探测等领域。“比如在电网负荷低谷时，将多余能量用于激发同核异能态储存能量；负荷高峰时，触发能量释放补充电力，这可能是未来的一个重要应用方向。” 郭松表示。不过他也强调，当前研究仍处于基础阶段，还需要进一步明确NEEC机制的发生条件和几率，才能推动技术落地。

“在投稿过程中，我们虽然收到了美方团队的20多个质疑问题，但通过详细的数据分析和严谨的论证，最终赢得了审稿人的认可。”郭松笑着说。

从偶然关注到深入攻关，从“盲调”探索到精准测量，郭松、丁兵团队用好奇心驱动探索，用协作破解难题，用坚持赢得突破。他们的研究不仅解答了一个困扰学界多年的科学疑问，更在原子核物理与原子分子物理的交叉领域开辟了新的研究方向。未来，团队将继续聚焦等离子体环境或电子-离子对撞等新方向，在探索微观世界奥秘的道路上稳步前行，为解锁原子核“能量宝库”的更多潜能持续努力。

相关论文链接：

https://doi.org/10.1103/kbf5-6fcl