原子核會發(fā)生量子擺動

吳忠華 譯

（中國科學(xué)院高能物理研究所 100049）

科學(xué)家常用激光來控制原子的核外電子從一個電子態(tài)遷移到另一個電子態(tài)，但要控制原子的原子核態(tài)，則更具挑戰(zhàn)性?，F(xiàn)在，德國海德堡馬克斯·普朗克核物理研究所的研究人員首次利用X 射線實現(xiàn)了對原子核激發(fā)的相干控制。這項工作除了有助于更好地理解量子物質(zhì)外，還可以加速技術(shù)的發(fā)展，諸如超精密原子核時鐘技術(shù)，和儲存巨大能量的電池技術(shù)等。

原子核是一種量子系統(tǒng)，當(dāng)原子核中的質(zhì)子和中子獲得或失去能量時，它們可以以量子力學(xué)的方式從一種核量子態(tài)“躍遷”到另一種核量子態(tài)。這些原子核的躍遷導(dǎo)致的能量差通常比一個原子內(nèi)電子殼層間電子躍遷產(chǎn)生的能量差大6個數(shù)量級。研究小組成員克利斯多夫·凱特爾(Christoph Keitel)進一步說道：“一個核組分的單次量子躍遷可以泵浦多達百萬倍的能量進入激發(fā)態(tài)，或者再次把這多達百萬倍的能量釋放出來。這就使我們產(chǎn)生了核電池的想法，這種核電池可擁有前所未有的儲電容量?！?/p>

圖1 一道X射線閃光激發(fā)的鐵原子核(提供:MPI核物理)

凱特爾補充說，一些原子核的量子態(tài)也比核外電子的量子態(tài)更加短暫。這意味著躍遷頻率也更加精確。原則上，這個特性可用來制造原子核時鐘，其精確性遠比當(dāng)今用于精確計時以及導(dǎo)航的原子時鐘高得多。這些超精確的時鐘也可用于基礎(chǔ)物理研究，例如，用于研究自然界中已知的物理常數(shù)是否的確是常數(shù)。

精確尋址和控制躍遷

然而，在這些應(yīng)用問世之前，研究人員需要找到一些精確尋址和控制這些躍遷的方法。其中的一項技術(shù)，海德堡團隊已經(jīng)研究了10 多年，涉及到高能X射線。

目前，由約爾格·埃弗斯(J?rg Evers)領(lǐng)導(dǎo)的一項研究工作中，研究人員在法國格勒諾布爾的歐洲同步輻射裝置(ESRF)上，利用一個“分割控制單元”部件將核共振ID18 光束線上的光脈沖一分為二。這個部件的目的是使兩個脈沖中的一個脈沖相對于另一個脈沖發(fā)生延遲。

埃弗斯和同事們將第一個脈沖發(fā)送到由1 μm厚的不銹鋼箔制成的“測試”標靶樣品上。在這種箔中，不銹鋼富含95%的“穆斯保爾”鐵-57 同位素(57Fe)，在14.4 keV的能量處有一個核(磁偶極)躍遷。經(jīng)過一段時間的延遲后，讓第二個脈沖跟隨第一個脈沖，之后兩個脈沖都會邂逅真正的樣本。該樣品也是由富含57Fe原子的不銹鋼制成，樣品厚度為2 μm。

推秋千

研究人員解釋說，他們的第一個脈沖包含寬的混合頻率，且非常短暫，持續(xù)時間只有100 皮秒(1 ps=10-12秒)，這個脈沖激發(fā)了57Fe原子核的量子躍遷。第二個脈沖更長，為141納秒，它的能量被精確地調(diào)整到相同的量子躍遷。兩個脈沖之間的時間延遲可以用一種方式來調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)方式被研究人員比作推秋千。當(dāng)?shù)谝淮瓮频臅r候會導(dǎo)致人來回擺動或振蕩，第二次推要么增強振蕩，要么減緩振蕩，這取決于它在振蕩相位中的什么時間發(fā)生。因此，第二個脈沖對量子態(tài)來說，要么更具建設(shè)性，要么更具破壞性。

在原子核量子動力學(xué)中實現(xiàn)如此嚴格控制的變化，是海德堡團隊花了數(shù)年時間才完成的技術(shù)壯舉。除其他因素外，它要求第二個脈沖的延遲在幾個澤秒(1 zs=10-21s)的時間尺度上是穩(wěn)定的，只有這樣，這兩個脈沖才能一起控制原子核激發(fā)。

在這些《自然》期刊報道的研究結(jié)果激勵下，研究人員現(xiàn)在計劃探索他們新的控制方案的可能應(yīng)用。埃弗斯告訴《物理世界》說：“這些新的應(yīng)用包括新的譜學(xué)方法和自適應(yīng)X射線光學(xué)”。