光控量子旋鈕：跨量級調控同位素分離效率

|作 者：黨俊杰 劉艷榮 張松斌?

(陜西師范大學物理學與信息技術學院）

本文選自《物理》2026年第4期

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同位素分離背景

同位素原子具有相同質子數和不同中子數，化學性質相近但物理性質存在差異，同位素在諸多關鍵領域扮演著不可替代的角色。鈾-235在天然鈾中僅占約0.7%，其余為鈾-238，需濃縮至特定豐度方可作為核電站與核動力裝置的核心燃料[1]；氘在天然氫中的豐度僅約0.015%，作為穩定同位素示蹤劑，在化學反應機理與代謝通路研究中發揮著不可替代的作用[2]；碳-13(天然豐度約1.1%)與氧-18(天然豐度約0.2%)同樣需從更豐富的碳-12和氧-16中分離，被廣泛用于地質年代測定及生物示蹤實驗[3]。

正因同位素在這些關鍵任務中扮演著核心角色，發展高效的同位素純化技術一直是物理學、化學與工程科學交叉領域的重要攻關方向[4]。然而，氣體擴散法、離心法等傳統分離技術均依賴同位素間微小的質量差實現分離，普遍存在分離效率偏低、能耗高、適用場景受限等瓶頸[5，6]。

調諧激光技術的快速發展，為同位素分離開辟了全新的技術路徑。該技術不依賴于同位素間的質量差開展多級循環富集，核心原理是基于同位素分子的能級位移效應，通過特定波長的激光選擇性激發目標同位素分子，可精準調控其化學反應活性，或改變其解離/電離閾值，進而實現目標同位素與其他同位素的定向分離[7，8]。其中，同位素選擇性光解離技術可直接將目標同位素分子分解為易分離的碎片，成為該領域備受關注的核心技術方向之一[9]。

02

如何打破固有截面的限制？

然而，同位素選擇性光解離技術的分離效率，始終受限于分子固有的光解離截面[9]。截面越大，解離越容易發生。現有激光分離技術本質上仍是“被動利用”同位素間天然存在的微小能級與光譜差異進行篩選，如同用齒紋高度相近的兩把鑰匙開鎖。即便采用多步激發、量子相干控制等先進調控手段[10，11]，也僅能優化激發路徑，無法從根本上改變分子本身的解離通道特性。

那么，能否跳出“被動尋找天然差異”的固有思路，主動創造同位素間的光譜特異性呢？解決這一核心科學問題的關鍵，在于發展一種可主動、動態調控分子光解離截面的方法，實現對特定同位素解離通道的按需“開關”。近期，我們課題組在系列理論研究工作中[12，13]，提出了從“被動利用”轉換到“主動設計”的新思路。團隊通過非共振紫外控制脈沖誘導產生同位素特異性的法諾(Fano)共振，在共振能區實現了對分子光解離截面的精準主動調控，為高效同位素分離開辟了全新的技術路徑。

03

為分子安裝光控量子旋鈕

這一主動光學調控策略的核心，是利用一束非共振紫外控制脈沖，將分子電子基態的高振動能級與解離連續態實現精準耦合(圖1)，進而誘導產生光控Fano共振[12—15]。Fano共振源于離散態與連續態之間的相干耦合與干涉，導致在原本平滑的連續能譜中產生尖銳的非對稱峰谷結構，從而顯著改變光激發的概率。

圖1 紫外光誘導Fano共振光解離方案示意圖 (a)控制光將分子中的高振動能級與解離通道相耦合，形成可控共振結構；泵浦光將分子激發至解離態，并探測解離碎片；(b)在Floquet框架下，整個過程可視為控制光電場包絡將上移的基態與解離勢能面相耦合[12]

該過程可在原本平滑的分子連續能譜中，精準“嵌入”特定能量的離散共振結構，從而針對性增強或抑制對應能域的光激發概率，等效于對分子光解離截面的動態“重塑”。這束控制脈沖，就如同為分子量身定制了一枚光控“量子旋鈕”：旋鈕關閉時，分子能譜呈現其固有的平滑曲線；旋鈕開啟后，Fano共振結構即刻顯現，其共振特征可由控制光場參數與同位素分子的本征結構協同調控。

04

光控量子旋鈕實現HF/DF同位素體系光解離的精準調控

同位素分子的振動能級結構，因原子核的質量差異具有本征區別。因此，同一束控制脈沖作用于不同的同位素分子時，會誘導出共振位置完全不同的Fano態(圖2)，這使得該調控機制天然具備同位素選擇性。如同為兩種同位素分子分別設置了專屬的“接收頻道”，只需通過另一束可調諧泵浦激光，精確對準目標同位素的共振頻率進行激發，即可實現其解離通道的光控“開/關”，為同位素的主動高效分離奠定了堅實的物理基礎。

圖2 同一控制光場下氟化氫/氟化氘(HF/DF)同位素體系的Fano共振分布。由于質量差異，兩種分子的共振位置明顯不同，這種差異是實現選擇性分離的基礎[13]。其中左側為HF分子，右側為DF分子

研究團隊以氟化氫/氟化氘(HF/DF)這一典型同位素體系為研究對象，通過理論計算系統揭示了該調控方案的高效性。結果表明，通過精細調諧窄帶泵浦脈沖的頻率，可實現解離選擇性的雙向高效切換。如圖3(a)所示，當泵浦光頻率對準DF某一Fano共振的極小值位置時，DF的解離被強烈抑制，而HF的解離過程幾乎不受影響；反之，將泵浦光頻率對準HF共振的極小值位置，即可實現對HF解離的選擇性抑制。在優化的脈沖參數條件下，HF與DF的解離產額比可在0.02—140的范圍內實現跨數量級調控(圖3(b))，成功實現了從“強烈抑制DF解離”到“強烈抑制HF解離”的光學開關式雙向切換，為同位素分離提供了精準、高效的全新量子調控方案。

圖3 光場調控HF/DF解離選擇性的結果 (a)不同泵浦光頻率下HF與DF的解離產額(脈寬2—32 ps，控制光5.50 eV，2×1013 W/cm2)；(b)解離產額比可在0.02—140之間調節，實現雙向選擇性抑制[13]

05

總結與展望

這項基于光誘導Fano共振的主動光學調控新方法，首次實現了分子光解離截面的動態、選擇性精準調制，從根本上突破了傳統激光分離技術被動篩選的效率瓶頸。該方案不僅為發展高效、高精度的激光同位素分離技術開辟了新方向，更通過共振譜線的定制化調控，為光化學反應路徑的精準操控提供了通用型的量子工具。

未來，該方法有望進一步拓展至更復雜的分子體系，發展出更具可擴展性的實驗實施方案。從更廣闊的視角看，這項技術不僅為同位素分離提供了全新方案，也為未來在分子尺度上按需設計化學反應路徑打開了新的可能，有望在光解離動力學調控、離子散射過程引導、高維勢能面反應通道的精準選擇等領域展現出廣闊的應用前景，推動光物理與光化學領域的量子調控技術邁向更高水平。

參考文獻

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