测量“大象身上的蚂蚁”,追求更高精度原子钟

2020-05-18 19:19:35 来源: 科技日报 作者: 李山

在高精度潘宁阱质谱仪中进行高电荷离子质量测量的示意图。图片来源:《自然》杂志

科技日报驻德国记者 李山

近日,一个由马克斯·普朗克核物理研究所科学家领导的国际科研团队,成功测量出发生电子跃迁时单个原子质量的微小变化。这一新方法使得研发新的、更精确的原子钟成为可能,并为更好地认识原子内部开辟了全新的途径。

高电荷离子是研发未来原子钟的理想选择之一

原子钟在日常生活和科学研究中非常重要。它以原子内部的电子在两个能级间跳跃时辐射出来的电磁波为标准,去控制校准电子振荡器,实现精准的时间。

与原子相比,高电荷离子的外层电子与原子核的结合更强,对外部场的波动更不敏感,狭义相对论和量子电动力学的效应也更显著。因此,高电荷离子是未来研发更精确原子钟的理想选择之一。

然而,由于内部结构复杂,要在高电荷离子中识别适合于原子钟的电子跃迁非常困难,常用的光谱法测量这种跃迁也不够精确。

现在,一个由马克斯·普朗克核物理研究所的克劳斯·布劳姆教授和谢尔盖·埃利谢耶夫博士领导,包括俄罗斯、法国、日本和澳大利亚科学家参与的国际科研团队,利用高精度潘宁阱质谱仪(Pentatrap),成功测量出铼离子的基态与激发态之间极其微小的质量差。根据爱因斯坦的质能方程E=mc2,粒子的能态变化也会反映在其质量变化上。科学家们就此发现一个高电荷铼离子中长寿命的亚稳态电子态,并直接确定其电子激发能,结果与高级计算一致。

为测量高电荷离子的跃迁能量提供了可能性

马克斯·普朗克核物理研究所的里马·舒斯勒博士和她的同事们把通常含75个电子的铼原子,制备成缺少29个电子的高电荷铼离子,然后引入到Pentatrap的潘宁阱中。这些铼离子之一保持在最低的能量状态,即基态,另外两个则通过软X射线使其获得能量进入激发态。在磁场和特殊形状电场的作用下,高电荷铼离子在潘宁阱中沿圆形轨道运转。类似于在空中旋转系在绳索上的球,相同力的作用下,较重的球旋转速度要比较轻的球旋转速度慢。Pentatrap精确地计算不同铼离子每单位时间的环绕数,环绕数的差异即反映出重量的增加。

舒斯勒博士做了一个非常形象的比喻,这相当于“通过给一个六吨重的大象称重,使我们能够确定是否有十毫克的蚂蚁在上面爬行”。利用他们的Pentatrap,科学家们能够证明铼离子已经转变为一个亚稳态的量子态,寿命约130天。这样的跃迁需要202电子伏特的跃迁能量。不过,铼离子的这一量子态尚不适用于原子钟,因为它需要X射线激发。但使用Pentatrap的质量测量方法来专门搜索需要较少活化能的高电荷离子中的进一步能量跃迁,将使得具有这种离子的高精度原子钟变得越来越可行。

由于使用常规方法很难实现,该方法为测量高电荷离子的跃迁能量提供了令人兴奋的可能性。此外,这一新方法还有望用于基础物理学的研究。如高精度地测试狭义相对论和量子理论是否按照迄今的理论所描述的方式相互作用,或者用来搜索只有极弱的引力才能注意到的未知粒子,例如暗物质。

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责任编辑: 左常睿
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