光控量子旋钮：跨量级调控同位素分离效率

|作 者：党俊杰 刘艳荣 张松斌†

(陕西师范大学物理学与信息技术学院）

本文选自《物理》2026年第4期

01

同位素分离背景

同位素原子具有相同质子数和不同中子数，化学性质相近但物理性质存在差异，同位素在诸多关键领域扮演着不可替代的角色。铀-235在天然铀中仅占约0.7%，其余为铀-238，需浓缩至特定丰度方可作为核电站与核动力装置的核心燃料[1]；氘在天然氢中的丰度仅约0.015%，作为稳定同位素示踪剂，在化学反应机理与代谢通路研究中发挥着不可替代的作用[2]；碳-13(天然丰度约1.1%)与氧-18(天然丰度约0.2%)同样需从更丰富的碳-12和氧-16中分离，被广泛用于地质年代测定及生物示踪实验[3]。

正因同位素在这些关键任务中扮演着核心角色，发展高效的同位素纯化技术一直是物理学、化学与工程科学交叉领域的重要攻关方向[4]。然而，气体扩散法、离心法等传统分离技术均依赖同位素间微小的质量差实现分离，普遍存在分离效率偏低、能耗高、适用场景受限等瓶颈[5，6]。

调谐激光技术的快速发展，为同位素分离开辟了全新的技术路径。该技术不依赖于同位素间的质量差开展多级循环富集，核心原理是基于同位素分子的能级位移效应，通过特定波长的激光选择性激发目标同位素分子，可精准调控其化学反应活性，或改变其解离/电离阈值，进而实现目标同位素与其他同位素的定向分离[7，8]。其中，同位素选择性光解离技术可直接将目标同位素分子分解为易分离的碎片，成为该领域备受关注的核心技术方向之一[9]。

02

如何打破固有截面的限制？

然而，同位素选择性光解离技术的分离效率，始终受限于分子固有的光解离截面[9]。截面越大，解离越容易发生。现有激光分离技术本质上仍是“被动利用”同位素间天然存在的微小能级与光谱差异进行筛选，如同用齿纹高度相近的两把钥匙开锁。即便采用多步激发、量子相干控制等先进调控手段[10，11]，也仅能优化激发路径，无法从根本上改变分子本身的解离通道特性。

那么，能否跳出“被动寻找天然差异”的固有思路，主动创造同位素间的光谱特异性呢？解决这一核心科学问题的关键，在于发展一种可主动、动态调控分子光解离截面的方法，实现对特定同位素解离通道的按需“开关”。近期，我们课题组在系列理论研究工作中[12，13]，提出了从“被动利用”转换到“主动设计”的新思路。团队通过非共振紫外控制脉冲诱导产生同位素特异性的法诺(Fano)共振，在共振能区实现了对分子光解离截面的精准主动调控，为高效同位素分离开辟了全新的技术路径。

03

为分子安装光控量子旋钮

这一主动光学调控策略的核心，是利用一束非共振紫外控制脉冲，将分子电子基态的高振动能级与解离连续态实现精准耦合(图1)，进而诱导产生光控Fano共振[12—15]。Fano共振源于离散态与连续态之间的相干耦合与干涉，导致在原本平滑的连续能谱中产生尖锐的非对称峰谷结构，从而显著改变光激发的概率。

图1 紫外光诱导Fano共振光解离方案示意图 (a)控制光将分子中的高振动能级与解离通道相耦合，形成可控共振结构；泵浦光将分子激发至解离态，并探测解离碎片；(b)在Floquet框架下，整个过程可视为控制光电场包络将上移的基态与解离势能面相耦合[12]

该过程可在原本平滑的分子连续能谱中，精准“嵌入”特定能量的离散共振结构，从而针对性增强或抑制对应能域的光激发概率，等效于对分子光解离截面的动态“重塑”。这束控制脉冲，就如同为分子量身定制了一枚光控“量子旋钮”：旋钮关闭时，分子能谱呈现其固有的平滑曲线；旋钮开启后，Fano共振结构即刻显现，其共振特征可由控制光场参数与同位素分子的本征结构协同调控。

04

光控量子旋钮实现HF/DF同位素体系光解离的精准调控

同位素分子的振动能级结构，因原子核的质量差异具有本征区别。因此，同一束控制脉冲作用于不同的同位素分子时，会诱导出共振位置完全不同的Fano态(图2)，这使得该调控机制天然具备同位素选择性。如同为两种同位素分子分别设置了专属的“接收频道”，只需通过另一束可调谐泵浦激光，精确对准目标同位素的共振频率进行激发，即可实现其解离通道的光控“开/关”，为同位素的主动高效分离奠定了坚实的物理基础。

图2 同一控制光场下氟化氢/氟化氘(HF/DF)同位素体系的Fano共振分布。由于质量差异，两种分子的共振位置明显不同，这种差异是实现选择性分离的基础[13]。其中左侧为HF分子，右侧为DF分子

研究团队以氟化氢/氟化氘(HF/DF)这一典型同位素体系为研究对象，通过理论计算系统揭示了该调控方案的高效性。结果表明，通过精细调谐窄带泵浦脉冲的频率，可实现解离选择性的双向高效切换。如图3(a)所示，当泵浦光频率对准DF某一Fano共振的极小值位置时，DF的解离被强烈抑制，而HF的解离过程几乎不受影响；反之，将泵浦光频率对准HF共振的极小值位置，即可实现对HF解离的选择性抑制。在优化的脉冲参数条件下，HF与DF的解离产额比可在0.02—140的范围内实现跨数量级调控(图3(b))，成功实现了从“强烈抑制DF解离”到“强烈抑制HF解离”的光学开关式双向切换，为同位素分离提供了精准、高效的全新量子调控方案。

图3 光场调控HF/DF解离选择性的结果 (a)不同泵浦光频率下HF与DF的解离产额(脉宽2—32 ps，控制光5.50 eV，2×1013 W/cm2)；(b)解离产额比可在0.02—140之间调节，实现双向选择性抑制[13]

05

总结与展望

这项基于光诱导Fano共振的主动光学调控新方法，首次实现了分子光解离截面的动态、选择性精准调制，从根本上突破了传统激光分离技术被动筛选的效率瓶颈。该方案不仅为发展高效、高精度的激光同位素分离技术开辟了新方向，更通过共振谱线的定制化调控，为光化学反应路径的精准操控提供了通用型的量子工具。

未来，该方法有望进一步拓展至更复杂的分子体系，发展出更具可扩展性的实验实施方案。从更广阔的视角看，这项技术不仅为同位素分离提供了全新方案，也为未来在分子尺度上按需设计化学反应路径打开了新的可能，有望在光解离动力学调控、离子散射过程引导、高维势能面反应通道的精准选择等领域展现出广阔的应用前景，推动光物理与光化学领域的量子调控技术迈向更高水平。

参考文献

[1] 李冠兴，武胜. 核燃料. 北京：化学工业出版社，2007

[2] Yamborko N，Schwab L，Polerecky L et al. Sci. Rep.，2026，16(1)：883

[3] 郑永飞，陈江峰. 稳定同位素地球化学. 北京：科学出版社，2000

[4] Khoroshilov A V. J. Phys. Conf. Ser.，2018，1099(1)：012002

[5] Watson W W. Phys. Rev.，1939，56(7)：703

[6] Wang T，Li X，Ju Z et al. Chin. Phys. Lett.，2025，42(7)：070802

[7] Letokhov V S，Moore C B. Sov. J. Quantum Electron.，1976，6(2)：129

[8] Suryanarayana M，Sankari M. Sci. Rep.，2024，14(1)：4080

[9] Zare R N. Sci. Am.，1977，236(2)：86

[10] Zittel P F，Little D D. J. Chem. Phys.，1979，71(7)：2748

[11] Kurosaki Y，Yokoyama K. Chem. Phys.，2017，493：183

[12] Liu Y R，Bai X，Nan Q W et al. Commun. Phys.，2025，8(1)：331

[13] Dang J J，Liu Y R，Kimberg V et al. J. Phys. Chem. Lett.，2026，17(5)：1447

[14] Fano U. Phys. Rev.，1961，124(6)：1866

[15] Knight P L，Lauder M A，Dalton B J. Phys. Rep.，1990，190(1)：1

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