2024-05-29 22:59 来源：本站编辑
物理学家利用激光成功地识别并操纵了特定的钍原子核状态。这一发现使经典量子物理学和核物理学的融合成为可能，在精密测量技术和基础物理学方面有希望取得进展，包括在精度上超越当前原子钟的核钟的潜在发展。一束激光击中镶嵌在晶体中的钍核。来源:TU Wien
激光第一次成功地激发了“钍跃迁”，这是研究人员长期追求的一个过程。这一突破为核时钟等高精度技术的突破性发展奠定了基础。
物理学家热切地期待着这一突破:全球科学家花了数年时间寻找钍原子核的特定状态，这可能会带来突破性的技术进步。
例如，它可以用来建造一个比目前最好的原子钟更精确地测量时间的核钟。它还可以用来回答物理学中全新的基本问题——例如，自然常数是否真的是常数，或者它们是否在空间和时间中变化。
现在这个希望已经实现了:寻找已久的钍跃迁已经被发现了，它的能量现在已经确切地知道了。有史以来第一次，使用激光将原子核转移到更高能量的状态，然后精确地跟踪它返回到原始状态。这使得以前彼此几乎没有关系的两个物理学领域——经典量子物理学和核物理学——的结合成为可能。这一成功的一个关键先决条件是研制出特殊的含钍晶体。由维也纳工业大学(维也纳)的Thorsten Schumm教授领导的一个研究小组现在与来自布伦瑞克国家计量研究所(PTB)的一个小组一起在《物理评论快报》上发表了这一成功。
如今，用激光操纵原子或分子已经司空见惯:如果激光的波长选择得恰到好处，原子或分子就可以从一种状态切换到另一种状态。用这种方法，可以非常精确地测量原子或分子的能量。许多精密测量技术都是基于此，比如今天的原子钟，还有化学分析方法。在量子计算机中，激光也经常被用于在原子或分子中存储信息。
激光实验室的ptb研究员Johannes Tiedau说。图片来源:布伦瑞克公共交通大学
然而，在很长一段时间里，似乎不可能将这些技术应用于原子核。原子核也可以在不同的量子态之间切换。然而，将原子核从一种状态转变为另一种状态通常需要更多的能量——至少是原子或分子中电子能量的一千倍，”Thorsten Schumm说。“这就是为什么原子核不能被激光操纵的原因。光子的能量是不够的。”
这是不幸的，因为原子核实际上是精确测量的完美量子对象:它们比原子和分子小得多，因此不太容易受到外部干扰，比如电磁场。因此，原则上，它们将使测量达到前所未有的精度。
自20世纪70年代以来，人们一直推测可能存在一种特殊的原子核，它与其他原子核不同，可以用激光操纵，即钍-229。这个原子核有两个非常接近的能态——如此接近以至于原则上激光应该足以改变原子核的状态。
托尔斯滕·舒姆(维也纳大学)拿着他的一个晶体。图片来源:Foto Wilke
然而，很长一段时间以来，只有间接的证据表明这种转变的存在。“问题是，你必须非常精确地知道跃迁的能量，以便能够用激光束诱导跃迁，”托尔斯滕·舒姆说。“如果你必须以百万分之一电子伏特的精度达到正确的能量，才能探测到这种转变，那么知道这种转变的能量在一个电子伏特内是没有多大用处的。”这就像大海捞针——或者试图找到一个埋在一公里长的岛上的小宝箱。
一些研究小组试图通过将钍原子核单独放置在电磁阱中来研究它们。然而，Thorsten Schumm和他的团队选择了一种完全不同的技术。“我们开发了大量钍原子结合的晶体，”法比安·沙登解释说，他在维也纳开发了这种晶体，并与PTB团队一起测量了它们。“虽然这在技术上相当复杂，但它的优点是我们不仅可以用这种方式研究单个钍核，而且可以同时用激光击中大约10到17个钍核的能量——大约是我们银河系中恒星数量的100万倍。”大量的钍原子核放大了这种效应，缩短了所需的测量时间，并增加了实际发现能量跃迁的可能性。
2023年11月21日，该团队终于成功了:钍跃迁的正确能量被精确地击中，钍原子核第一次传递了一个清晰的信号。激光束实际上改变了它们的状态。经过对数据的仔细检查和评估，结果现已公布。
“对我们来说，这是一个梦想成真，”托尔斯滕·舒姆说。自2009年以来，舒姆一直把他的研究完全集中在寻找钍跃迁上。近年来，他的团队以及来自世界各地的竞争团队一再取得重要的部分成功。舒姆说:“当然，我们很高兴我们现在是能够提出关键突破的人:第一个针对原子核的激光激发。”
这标志着一个激动人心的新研究时代的开始:现在该团队知道如何激发钍态，这项技术可以用于精确测量。“从一开始，建造原子钟就是一个重要的长期目标，”Thorsten Schumm说。“就像钟摆的摆动作为计时器一样，激发钍跃迁的光的振荡可以用作新型时钟的计时器，这种时钟将比目前最好的原子钟精确得多。”
但是，用这种方法可以比以前更精确地测量的不仅仅是时间。例如，地球的重力场可以被精确地分析，从而提供矿产资源或地震的迹象。这种测量方法还可以用来解开物理学的基本谜团:自然常数真的是恒定的吗?或者随着时间的推移，微小的变化可能会被测量出来吗?“我们的测量方法仅仅是个开始，”Thorsten Schumm说。“我们还不能预测我们会取得什么结果。这肯定会非常令人兴奋。”
参考文献:“Th-229核的激光激发”，作者:J. Tiedau, M. V. Okhapkin, K. Zhang, J. Thielking, G. Zitzer, E. Peik, F. Schaden, T. Pronebner, I. Morawetz, L. Toscani De Col, F. Schneider, A. Leitner, M. Pressler, G. A. Kazakov, K. Beeks, T. Sikorsky和T. Schumm, 2024年4月29日，物理评论通讯。DOI: 10.1103 / PhysRevLett.132.182501
