激光束击中嵌入晶体中的钍核。图片来源：Tu Wien
物理学家们对这一刻的期待已经很久了：多年来，世界各地的科学家一直在寻找一种非常特殊的钍原子核状态，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。它也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恒定的，或者它们是否在空间和时间上发生变化。
现在这个希望已经成真：人们已经找到了寻找已久的钍转变，它的能量现在已经确切地知道了。这是第一次可以使用激光将原子核转移到更高能量的状态，然后精确地跟踪其恢复到原始状态。
这使得将以前几乎没有关系的两个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开发特殊的含钍晶体。
由维也纳工业大学（维也纳）的Thorsten Schumm教授领导的研究小组现在与布伦瑞克国家计量研究所（PTB）的一个团队一起在《物理评论快报》杂志上发表了这一成功。
切换量子态今天，用激光操纵原子或分子是司空见惯的：如果激光的波长选择得恰到好处，原子或分子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，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，“Schumm说。“这就是为什么通常不能用激光操纵原子核的原因。光子的能量是不够的。
这是不幸的，因为原子核实际上是用于精确测量的完美量子对象：它们比原子和分子小得多，因此更不容易受到外部干扰，例如电磁场。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Johannes Tiedau在激光实验室。图片来源：PTB Braunschweig
大海捞针
自 1970 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相邻的能量状态——如此紧密地相邻，以至于激光原则上应该足以改变原子核的状态。
然而，在很长一段时间里，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，以便能够用激光束诱导跃迁，”Schumm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检测到跃迁，那么知道这种跃迁的能量在一电子伏特以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屿上的小宝箱。
钍晶体技巧一些研究小组试图通过将钍原子核单独固定在电磁阱中来研究钍原子核。然而，Schumm和他的团队选择了一种完全不同的技术。
“我们开发了包含大量钍原子的晶体，”Fabian Schaden解释说，他在维也纳开发了晶体并与PTB团队一起测量了它们。
“虽然这在技术上相当复杂，但它的优势在于，我们不仅可以以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个钍核的幂 - 大约是我们银河系中恒星的一百万倍。
大量的钍原子核放大了这种效应，缩短了所需的测量时间，并增加了实际发现能量跃迁的可能性。
Thorsten Schumm（维也纳图维恩）拿着他的一块水晶。图片来源：Foto Wilke
2023 年 11 月 21 日，该团队终于成功了：钍跃迁的正确能量被准确击中，钍原子核首次发出了清晰的信号。激光束实际上已经切换了状态。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，”Schumm 说。自 2009 年以来，Schumm 将他的研究完全集中在寻找钍转变上。近年来，他的团队以及来自世界各地的参赛团队一再取得了重要的部分成功。
“当然，我们很高兴我们现在能够提出关键的突破：原子核的第一个靶向激光激发，”Schumm说。
原子核钟的梦想这标志着一个激动人心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，”Schumm说。
“类似于摆钟如何使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一种新型时钟的计时器，这种时钟将比当今最好的原子钟更准确。
但是，以这种方式可以比以前更精确地测量的不仅仅是时间。例如，地球的引力场可以被精确地分析，它可以提供矿产资源或地震的迹象。测量方法也可以用来揭开物理学的基本奥秘：自然界的常数真的是恒定的吗？或者，随着时间的推移，微小的变化可以衡量吗？
“我们的测量方法只是一个开始，”Schumm说。“我们还无法预测我们将用它取得什么结果。这肯定会非常令人兴奋。
更多信息：J. Tiedau 等人，Th-229 原子核的激光激发，物理评论快报 （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.132.182501
期刊信息： Physical Review Letters
