近日，一個(gè)由馬克斯·普朗克核物理研究所科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)，成功測(cè)量出發(fā)生電子躍遷時(shí)單個(gè)原子質(zhì)量的微小變化。這一新方法使得研發(fā)新的、更精確的原子鐘成為可能，并為更好地認(rèn)識(shí)原子內(nèi)部開(kāi)辟了全新的途徑。

高電荷離子是研發(fā)未來(lái)原子鐘的理想選擇之一

原子鐘在日常生活和科學(xué)研究中非常重要。它以原子內(nèi)部的電子在兩個(gè)能級(jí)間跳躍時(shí)輻射出來(lái)的電磁波為標(biāo)準(zhǔn)，去控制校準(zhǔn)電子振蕩器，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的時(shí)間。

與原子相比，高電荷離子的外層電子與原子核的結(jié)合更強(qiáng)，對(duì)外部場(chǎng)的波動(dòng)更不敏感，狹義相對(duì)論和量子電動(dòng)力學(xué)的效應(yīng)也更顯著。因此，高電荷離子是未來(lái)研發(fā)更精確原子鐘的理想選擇之一。

然而，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要在高電荷離子中識(shí)別適合于原子鐘的電子躍遷非常困難，常用的光譜法測(cè)量這種躍遷也不夠精確。

現(xiàn)在，一個(gè)由馬克斯·普朗克核物理研究所的克勞斯·布勞姆教授和謝爾蓋·埃利謝耶夫博士領(lǐng)導(dǎo)，包括俄羅斯、法國(guó)、日本和澳大利亞科學(xué)家參與的國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)，利用高精度潘寧阱質(zhì)譜儀(Pentatrap)，成功測(cè)量出錸離子的基態(tài)與激發(fā)態(tài)之間極其微小的質(zhì)量差。根據(jù)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程E=mc2，粒子的能態(tài)變化也會(huì)反映在其質(zhì)量變化上。科學(xué)家們就此發(fā)現(xiàn)一個(gè)高電荷錸離子中長(zhǎng)壽命的亞穩(wěn)態(tài)電子態(tài)，并直接確定其電子激發(fā)能，結(jié)果與高級(jí)計(jì)算一致。

為測(cè)量高電荷離子的躍遷能量提供了可能性

馬克斯·普朗克核物理研究所的里馬·舒斯勒博士和她的同事們把通常含75個(gè)電子的錸原子，制備成缺少29個(gè)電子的高電荷錸離子，然后引入到Pentatrap的潘寧阱中。這些錸離子之一保持在最低的能量狀態(tài)，即基態(tài)，另外兩個(gè)則通過(guò)軟X射線使其獲得能量進(jìn)入激發(fā)態(tài)。在磁場(chǎng)和特殊形狀電場(chǎng)的作用下，高電荷錸離子在潘寧阱中沿圓形軌道運(yùn)轉(zhuǎn)。類(lèi)似于在空中旋轉(zhuǎn)系在繩索上的球，相同力的作用下，較重的球旋轉(zhuǎn)速度要比較輕的球旋轉(zhuǎn)速度慢。Pentatrap精確地計(jì)算不同錸離子每單位時(shí)間的環(huán)繞數(shù)，環(huán)繞數(shù)的差異即反映出重量的增加。

舒斯勒博士做了一個(gè)非常形象的比喻，這相當(dāng)于“通過(guò)給一個(gè)六噸重的大象稱(chēng)重，使我們能夠確定是否有十毫克的螞蟻在上面爬行”。利用他們的Pentatrap，科學(xué)家們能夠證明錸離子已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)亞穩(wěn)態(tài)的量子態(tài)，壽命約130天。這樣的躍遷需要202電子伏特的躍遷能量。不過(guò)，錸離子的這一量子態(tài)尚不適用于原子鐘，因?yàn)樗枰猉射線激發(fā)。但使用Pentatrap的質(zhì)量測(cè)量方法來(lái)專(zhuān)門(mén)搜索需要較少活化能的高電荷離子中的進(jìn)一步能量躍遷，將使得具有這種離子的高精度原子鐘變得越來(lái)越可行。

由于使用常規(guī)方法很難實(shí)現(xiàn)，該方法為測(cè)量高電荷離子的躍遷能量提供了令人興奮的可能性。此外，這一新方法還有望用于基礎(chǔ)物理學(xué)的研究。如高精度地測(cè)試狹義相對(duì)論和量子理論是否按照迄今的理論所描述的方式相互作用，或者用來(lái)搜索只有極弱的引力才能注意到的未知粒子，例如暗物質(zhì)。李 山

關(guān)鍵詞： 大象