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物理学家期待这一刻已经很久了:多年来，世界各地的科学家一直在寻找钍原子核的一种非常特殊的状态，这种状态有望带来革命性的技术应用。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恒定的，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:人们寻找已久的钍跃迁已经被发现，它的能量现在也确切地知道了。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。

切换量子态

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。

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，”舒姆说。“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。

大海捞针

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。

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，”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。

钍晶体戏法

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，舒姆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，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，钍原子核第一次发出了清晰的信号。激光束实际上已经改变了状态。经过对数据的仔细检查和评估，结果现已公布。

“对我们来说，这是梦想成真，”舒姆说。自2009年以来，舒姆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。”

原子核钟的梦想

这标志着一个令人兴奋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，”舒姆说。

“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，”舒姆说。“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。”