核聚變是指較輕的原子核結(jié)合形成較重的原子核，釋放出巨大的能量。作為一種清潔的、幾乎無限的能源，核聚變有著巨大的前景。然而，在地球上實現(xiàn)這一過程仍然是一項重大挑戰(zhàn)，主要原因是帶正電的原子核之間巨大的靜電排斥。在接近庫侖勢壘的能量下，同位旋的作用變得特別重要。

同位旋是與強核力相關(guān)的一個量子數(shù)，它被引入作為一個概念，以解釋質(zhì)子和中子在核內(nèi)經(jīng)歷的力的相似性，盡管它們的電荷不同。在這個框架中，質(zhì)子和中子被視為同一粒子的兩種狀態(tài)，即核子，同位旋是區(qū)分它們的屬性。一個原子核的總同位旋是其組成核子的同位旋之和。同位旋組成是指原子核中質(zhì)子和中子的相對豐度，理解這種組成對于可控核聚變的進步至關(guān)重要。

最近發(fā)表在《物理評論快報》上的一篇研究對這一復(fù)雜的關(guān)系進行了闡明。該研究采用了一種微觀方法，利用密度約束時間依賴Hartree-Fock理論（DC-TDHF）來檢查同位旋動力學對沿同位素鏈（具有相同質(zhì)子數(shù)但中子數(shù)不同的原子核）的融合反應(yīng)的影響。該研究還探索了這些動力學對核變形（原子核偏離完美球形的現(xiàn)象）的依賴性。

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)圍繞著同矢量的行為，這一術(shù)語表示質(zhì)子和中子的含量之間的差異，在能量密度泛函(EDF)的背景下的力。研究表明，在非對稱系統(tǒng)中，質(zhì)子和中子數(shù)目不等，等矢量動力學起著重要作用。這種影響通常表現(xiàn)為降低原子核融合必須克服的勢壘。這有效地轉(zhuǎn)化為在較低能量下發(fā)生聚變的可能性的增強。

此外，該研究表明，由于同位旋效應(yīng)，中子比質(zhì)子多的富中子核在聚變勢壘中表現(xiàn)出更大的減少。這是因為中子富集原子核中的質(zhì)子之間的排斥靜電力減弱，允許更近的距離和更大的可能性，使得強核力克服靜電障礙并促進融合。這一觀察結(jié)果與正在進行的研究相一致，這些研究正在探索使用這些富含中子的同位素在較低的溫度和壓力下實現(xiàn)聚變的潛力，這對設(shè)計實用的聚變反應(yīng)堆具有重大優(yōu)勢。

然而，不僅僅是同位旋組成的影響降低融合勢壘。核變形，原子核偏離完美球形的現(xiàn)象，也起著作用。同位旋和核變形之間的相互作用可以進一步影響融合過程。為了充分理解和利用其優(yōu)化低能核聚變反應(yīng)的潛力，需要進一步研究這種復(fù)雜的相互作用。

對同位旋組成在低能核聚變中作用的持續(xù)探索，為這項技術(shù)的未來帶來了巨大的希望。通過微調(diào)參與聚變的原子核的同位旋構(gòu)成，科學家們或許能夠在明顯更低的能量水平上實現(xiàn)聚變。這不僅將為開發(fā)更高效、更緊湊的聚變反應(yīng)堆鋪平道路，還將打開探索替代燃料循環(huán)的大門，這些燃料循環(huán)有可能解決與傳統(tǒng)聚變方法相關(guān)的燃料稀缺問題。