Th-229核的激光激发新发现表明经典量子物理学和核物理学可以结合起来

物理学家长期以来一直期待着这一刻：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核钟，它可以比当今最好的原子钟更精确地测量时间。它还可以用来回答物理学中全新的基本问题，例如，自然常数是否实际上是常数，或者它们是否随空间和时间而变化的问题。

现在这个希望已经实现：人们长期寻找的钍跃迁已经被发现，并且它的能量现在已经被准确地知道了。第一次有可能使用激光将原子核转移到更高能量的状态，然后精确跟踪其返回到原始状态的过程。

这使得将两个以前几乎没有关系的物理学领域结合起来成为可能：经典量子物理学和核物理学。这一成功的一个关键先决条件是特殊含钍晶体的开发。

由维也纳工业大学ThorstenSchumm教授领导的研究小组现已与不伦瑞克国家计量研究所(PTB)的团队一起在《物理评论快报》杂志上发表了这一成功成果。

切换量子态

如今，用激光操纵原子或分子已经很常见：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。通过这种方式，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，例如今天的原子钟，还有化学分析方法。激光也经常用于量子计算机，以将信息存储在原子或分子中。

然而，长期以来，将这些技术应用于原子核似乎是不可能的。

“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。“这就是为什么通常不能用激光操纵原子核。光子的能量根本不够。”

这是不幸的，因为原子核实际上是精确测量的完美量子物体：它们比原子和分子小得多，因此更不易受到外部干扰(例如电磁场)的影响。因此，原则上，它们将允许以前所未有的精度进行测量。

PTB研究员JohannesTiedau在激光实验室。图片来源：PTB布伦瑞克

大海捞针

自20世纪70年代以来，人们一直猜测可能存在一种特殊的原子核，与其他原子核不同，它也许可以用激光操纵，即钍229。这个原子核有两个非常接近的能态——如此接近，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，只有间接证据表明这种转变的存在。“问题在于，你必须非常精确地知道跃迁的能量，以便能够用激光束引发跃迁，”舒姆说。

“如果你必须以百万分之一电子伏的精度找到正确的能量才能检测到这种跃迁，那么知道这种跃迁的能量在一个电子伏内是没有什么用处的。”这就像大海捞针，或者试图找到埋在一公里长的岛屿上的小宝箱。

钍晶体的技巧

一些研究小组试图通过将钍原子核单独固定在电磁陷阱中来研究钍原子核。然而，舒姆和他的团队选择了一种完全不同的技术。

“我们开发了掺入大量钍原子的晶体，”FabianSchaden解释道，他在维也纳开发了这种晶体，并与PTB团队一起对其进行了测量。

“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原子核，而且可以用激光同时击中大约10的17次方钍原子核——大约比恒星多一百万倍在我们的银河系。”

大量的钍原子核放大了效应，缩短了所需的测量时间，并增加了实际发现能量跃迁的概率。

2023年11月21日，团队终于成功：钍跃迁的正确能量被准确击中，钍原子核首次发出清晰的信号。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，舒姆将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参赛队伍屡屡取得重要的部分成功。

“当然，我们很高兴我们现在能够实现关键突破：首次对原子核进行定向激光激发，”舒姆说。

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，该技术可用于精确测量。“从一开始，建造原子钟就是一个重要的长期目标，”舒姆说。

“类似于摆钟如何利用摆锤的摆动作为计时器，激发钍跃迁的光的振荡可以用作新型时钟的计时器，这种时钟比最好的原子钟要精确得多今天可用。”

但通过这种方式可以比以前更精确地测量的不仅仅是时间。例如，地球引力场可以进行精确分析，从而可以提供矿产资源或的指示。这种测量方法还可以用来探究物理学的基本奥秘：自然常数真的是恒定的吗?或者可以随着时间的推移来衡量微小的变化吗?

“我们的测量方法只是一个开始，”舒姆说。“我们还无法预测我们将取得什么成果。这肯定会非常令人兴奋。”

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