近期，北京大学物理学院技术物理系、核物理与核技术全国重点实验室的裴俊琛课题组与北航杭州国际创新院的合作者从高速转动核裂变这一独特角度为裂变后碎片自旋的产生机制给出了新见解。相关成果以“Fragment spin generation and scission mechanism in rapidly rotating fission”为题，于2026年9月15日在物理评论C作为Letter发表（Phys. Rev. C 114, L031602 (2026)）。
核裂变的最后断裂阶段（scission）是量子多体体系的剧烈分裂过程，科学家一直好奇断裂的一瞬间究竟发生了什么。一个出人意料的现象是即使初始角动量为零的自发裂变，之后裂变碎片会产生约7ℏ的自旋。2021年一项发表在Nature的实验发现裂变碎片的平均自旋与其质量呈“锯齿形”关系，且两个碎片的自旋之间没有显著关联，碎片自旋很可能是在核断裂之后才产生的。这引发了理论上的强烈兴趣。
基于微观裂变理论，两个初始碎片的自旋必然存在量子关联。直观上碎片角动量有多种产生机制：两个碎片自旋垂直于裂变方向的模式（反向bending，同向wriggling），平行于裂变方向的模式（twisting，tilting）。目前理论研究都是基于自发裂变，碎片自旋产生模式受量子涨落主导。 进而实验上对裂变碎片自旋的产生随初始核的激发能和角动量的变化十分关注。
图1：裂变后不同的碎片自旋生成模式
图2：结果表明高速转动核裂变后轻碎片自旋SL比重碎片自旋SH大，但重碎片继承的角动量SrH比其总自旋SH大，从而碎片自旋产生符合Bending断裂模式
高速转动原子核裂变的碎片自旋与初始角动量存在有很强的极化效应。碎片自旋一部分来源于继承的角动量，一部分产生于多种自旋断裂模式。在原子核高速转动时，其转动惯量趋近于经典近似，为角动量贡献的分解提供了可能。该工作在时间相关的密度泛函框架下，实现了系统改变初始裂变核²⁴⁰Pu的角动量与激发能来计算碎片的角动量。结果表明，轻碎片比重碎片的角动量更大，这也符合实验观测的锯齿结构。 但是随着激发能增加，两个碎片的角动量越来越接近，预示着锯齿结构将随激发能而不是初始角动量的增加逐渐消失。该工作进一步计算了碎片所继承的角动量。结果表明，重碎片比轻碎片继承了更多的角动量，重碎片继承的角动量比其总自旋还要大。 基于碎片自旋的两种来源分解，表明在低激发能区碎片的自旋产生模式符合bending模式。 在高激发区，碎片自旋产生更复杂，多种自旋断裂模式都可能被激活。 此外，高自旋核裂变比自发裂变更猛烈，导致其断裂前的脖子更拉伸，对裂变后的总动能释放和观测量分布展宽都产生显著影响；高速转动裂变还导致碎片产生明显的三轴形变，断裂处产生垂直出射中子流等新现象。该工作表明高速转动核裂变由于其自旋极化效应对碎片自旋的产生机制与断裂机制研究提供了一个更清晰的窗口。
强雨为论文第一作者，裴俊琛为通讯作者。这项研究的出发点也受益于与国内实验和理论同行的讨论。强雨此前为课题组2022届博士生和博雅博士后，目前为北航杭州国际创新研究院副研究员。该研究得到了国家自然科学基金和核物理与核技术全国重点实验室的支持。
