近日，中国工程物理研究院研究生院与复旦大学现物所合作团队，在原子核自旋操控领域取得重要理论突破，提出利用圆偏振飞秒强激光脉冲实现重原子核高效极化的全新方案。相关研究成果以Nuclear Polarization by Intense Laser Pulses为题，发表在国际物理学顶级期刊《Physical Review Letters》[PRL, 137, 152501 (2026)]。
原子核极化是精密测量、基础物理对称性检验、核自旋量子应用等方面的核心关键技术。极化的原子核可以作为灵敏探针，用于探究核力、自旋相关相互作用，检验基础物理对称性，搜寻物理常数时空变化；同时在核磁共振、成像、核自旋量子信息等方向具备广阔应用前景。但长期以来，传统动态核极化、光泵浦、自旋交换碰撞等主流技术大多依赖弱激光共振耦合，需要严格匹配特定原子的共振激光频率。所以，高效的，普适的重核极化一直是领域重大难题。
针对上述瓶颈，复旦大学博士后张涵煦与中国工程物理研究院研究生院的李韬博士、王旭研究员另辟蹊径，提出基于高离化类氢离子与超强飞秒激光非线性相互作用的极化新机制。图1为圆偏振（CP）强激光脉冲与类氢离子相互作用极化原子核的方案示意图，该方案借助类氢离子中束缚1s电子作为“桥梁”，通过触发非微扰非线性的相互作用，使得激光角动量能够高效地传递给原子核，绕开裸原子核光耦合极弱的固有局限。该机制不需要严格满足共振条件，依靠强场非线性效应，在飞秒超快时间尺度完成角动量转移，为重核极化开辟全新技术路径。
研究表明，物理过程遵循“激光激发 自发辐射衰变”循环：圆偏振飞秒激光驱动类氢离子超精细能级之间发生布居振荡，在磁子能级制造布居数不平衡；激光结束后，激发态通过磁偶极自发辐射回到基态，保留一定的不对称性，产生原子核极化。在这种机制下，单束激光脉冲即可获得超过10%的核极化度；如果采用多脉冲序列持续驱动，能够将重核极化提升至接近100%的近完全极化状态，如图1中所示。
图1：所提出方法的示意图。一序列圆偏振激光脉冲（例如，螺旋度为ν = −1）沿z轴传播，在类氢离子的磁子能级之间诱导布居数的定向转移，将最初非极化的系综驱动至极化边缘态。
团队选取229Th、205Pb、209Bi三种典型重核开展数值仿真验证，覆盖不同核自旋、超精细分裂能。理论结果显示：在现有实验装置可实现的激光强度1019 ~ 1021 W/cm2条件下，几十个激光脉冲即可让钍-229、铅-205的类氢离子实现97% -99%的超高极化；针对超精细分裂达5.2eV的铋-209，选用更短波长激光同样可以实现近乎完全极化。与之对比，线偏振激光完全无法产生核极化，印证圆偏振带来角动量定向转移是核心物理根源。
从物理机制上来看，该方法可以看作强场版本的光泵浦技术，但工作在非共振高度非线性区间，对激光频率没有特定要求，无需针对不同原子核定制严格的共振光源。同时1s电子激发能高达keV量级，激光作用过程中电子始终稳定处于基态。利用加速器，电子束离子阱，彭宁离子阱等现有实验平台即可制备、囚禁类氢重离子，且这些设备与现有的超强激光设施具备良好的实验兼容性。彭宁阱内的磁场、多普勒效应、离子碰撞、黑体辐射退极化等扰动都被评估为可控，具备现实实验可行性。未来，该理论方案有望推动强激光-核物理交叉领域的实验探索，为重核自旋量子技术、原子核钟、基础物理常数检验提供全新的实验工具。
该研究工作得到国家自然科学基金多个重点项目资助。论文第一作者张涵煦是复旦大学现代物理研究所马余刚课题组博士后。通讯作者是中国工程物理研究院研究生院王旭研究员。
论文信息DOI：10.1103/p7k8-mjn7
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