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量子“首次联手”核物理！50年后，科学家揭开钍原子核的秘密

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发布时间：2024-05-06
 
物理学家期待这一刻已经很久了：全球科学家多年来一直在探寻钍原子核的一种特殊状态，这种状态被认为能带来革命性的技术革新。比如，这种状态可以被用于制造核钟，这种时钟将比当前最先进的原子钟更加精确；同时，它还能帮助解答物理学中的一些全新基本问题，如自然常数是否随时间和空间改变而变化。
 
现在，这一希望已经变为现实：科学家们终于找到了长期寻找的“钍跃迁”（thorium transition），并且已经准确地确定了其能量。
 
这是首次利用激光将原子核推升至更高能态，并且精确地追踪它恢复到初始状态的过程。这一突破使得之前几乎不相关的两个领域——经典量子物理学和核物理学——得以融合。这项研究的成功关键在于开发出一种特殊的含钍晶体。
 
这项突破性的研究成果由维也纳工业大学的Thorsten Schumm教授领导的研究团队与德国联邦物理技术研究院（PTB）的研究团队共同完成，并在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表。
 

 
 
Thorsten Schumm (Tu Wien, Vienna)拿着一块加入了大量的钍原子的实验晶体
 
 
现今，使用激光来操纵原子或分子已经变得非常常见：当选定适当的激光波长时，原子或分子便能从一种状态跃迁到另一种状态。这种技术使得原子或分子的能量可以被极为精确地测量。基于这一原理，发展出许多精密测量技术，如现代的原子钟和化学分析方法，以及量子计算机中用于存储信息的技术。
 
然而，这些技术长期以来似乎并不适用于原子核。
 
“原子核也能在不同的量子态之间进行跃迁。但是，原子核从一种状态转换到另一种状态通常需要的能量远高于原子或分子中电子的能量——通常是后者的至少一千倍。”Schumm解释说：“这是原子核通常无法通过激光操纵的原因，因为光子的能量简直不足以驱动这种跃迁。”
 
这一点相当遗憾，因为原子核实际上是极其理想的精确测量的量子对象：它们比原子和分子小得多，因此对电磁场等外部干扰的敏感性也更低。从理论上讲，这使得它们有潜力进行前所未有的精确测量。
 
激光激发229Th原子核（钍的同位素，这里用蓝色和红色的中子和质子进行说明），会使其转变为能量极低（8.35574eV）的激发异构态229mTh。当激发态原子核返回基态时，会发射出波长为148.3821纳米的光子。这种核转变可用作时钟频率，构成极其精确的计时装置的基础
 
 
自20世纪70年代以来，科学界一直在探索一种独特的原子核——钍-229，它与其他原子核不同，理论上可能通过激光被操纵。这种原子核拥有两个非常接近的能态，这样的接近度使得激光理论上能够改变原子核的状态。
 
然而，长时间以来，我们只能通过间接的证据来推断这种状态转变的存在。Schumm解释道：“要用激光诱导这种转变，必须非常精确地知道转变所需的能量。”
 
他补充说：“如果要求百万分之一电子伏特的精度才能准确地命中所需的能量，那么仅仅知道这种转变的能量在一个电子伏特范围内，实际上并没有太大帮助。”
 
这种情况就像是在浩瀚的海洋中寻找针一样困难，或者是在一公里长的小岛上寻找一个埋藏的小宝箱。
 
自1976年以来，已发表的229Th激发能值的精确度大幅提高。过去的研究在前人的基础上提高了2到7倍的精度，而此次实验在2023年的前人基础上提高了800倍（右图，红色）
 
 
许多研究小组尝试通过在电磁陷阱中固定钍核来进行研究。不过，Schumm及其团队采纳了一种截然不同的方法。
 
一束激光击中了嵌入晶体中的钍核
 
Fabian Schaden阐释道：“我们开发了一种特殊的晶体，其中融入了大量的钍原子。”
 
“虽然技术上颇具挑战，但这种方法的优势在于，我们能够不仅研究单个钍核，还能同时用激光影响大约10到17个钍核的能级，这个数量大约是银河系中恒星数量的百万倍。”
 
通过大量钍核的集体效应，这一方法大幅增强了效果，缩短了所需的测量时间，并提高了探测能量转变的可能性。
 
2023年11月21日，研究团队终于取得了突破性成功：他们准确地击中了钍跃迁的正确能量，钍核首次发出了清晰的信号，激光束成功地引发了状态转换。在仔细核查和评估数据后，这一成果已经正式发布。
 
共振激发后Th-229的荧光衰减曲线（蓝色轨迹），由温度为150K的晶体X2测得，持续500秒。插图：晶体温度在108至168K之间的荧光衰减时间。总体衰减时间常数为τ = 630(15)s
 
Schumm分享了他的喜悦：“对我们来说，这是一个梦想成真的时刻。自2009年以来，我一直专注于寻找钍的能量转换。近年来，我们的团队以及全球的竞争对手都取得了一系列重要的进展。”
 
 
这标志着一个充满激情的新研究时代的开端：研究团队已经掌握了如何激发钍态的方法，这项技术预计将用于进行精确的测量工作。Schumm指出：“从一开始，制造原子钟就是我们的重要长期目标之一。”
 
“类似于摆钟依靠钟摆的摆动来计时，激发的钍态转变产生的光振荡也可以用作新型核钟的计时基准，其精度预计将远超现有的最佳原子钟。”
 
不过，钍-229不是唯一一个被探索用于核钟的元素。关于钪-45的研究也在持续推进，但该元素的转换能量高达12.4千伏，这意味着其必须与大型且昂贵的X射线激光器搭配使用才能制造时钟。
 
核钟的潜在应用主要在于探测细微的时间变化，这些变化可能揭示超出标准模型的新物理现象。这包括基本力和常数的变化，特别是，核钟通过寻找核力的变化揭示新物理学，因为核力是将原子核结合在一起的力，它直接影响了核钟的频率。因此，核钟可能揭示物理学中的一些重大谜团，如暗物质的性质。
 
此外，核钟还能用于测量由地球引力差异引起的时间膨胀。通过使用小型且高度可移动的芯片核钟，可以轻松地将它们移至不同地点进行测量，这对于地质学和大地测量研究极具价值。
 
Schumm激动地表示：“我们的测量技术只是个开始。我们还不知道它将带来什么样的结果，但前景无疑非常令人期待。”
 
参考链接：
[1]https://phys.org/news/2024-04-laser-nucleus-classical-quantum-physics.html
[2]https://physics.aps.org/articles/v17/71

[3]https://physicsworld.com/a/excitation-of-thorium-229-brings-a-working-nuclear-clock-closer/

 

 

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