Popular science work
德國達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)亥姆霍茲重離子研究中心牽頭，聯(lián)合明斯特大學(xué)、耶拿大學(xué)等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家，在量子物理領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。他們成功制造并分離出一種特殊的“類氫離子”——鉍-208，并對其電子躍遷能量進(jìn)行了極高精度的測量和理論驗(yàn)證。這項(xiàng)研究有助探索極端磁場下的量子現(xiàn)象，也為未來研究其他奇特原子提供了新方法。相關(guān)成果發(fā)表在最新一期《自然·物理》雜志上。
所謂“類氫離子”，是指只有一個(gè)電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的離子。這種結(jié)構(gòu)與氫原子類似，但原子核更重、電場更強(qiáng)。以鉍元素為例，正常情況下它有83個(gè)電子，而研究人員通過特殊手段把其中82個(gè)都剝離掉，只留下一個(gè)電子，形成“類氫鉍離子”。
由于鉍的原子核電荷很高，剩下的那個(gè)電子會被牢牢地吸引在原子核附近，處于極強(qiáng)的電磁場中。在這種極端環(huán)境下，電子的行為可用量子電動力學(xué)來描述和預(yù)測。量子電動力學(xué)是解釋帶電粒子與光相互作用的量子理論，通常用于高精度計(jì)算。
此前，科學(xué)家已對穩(wěn)定的鉍同位素——鉍-209進(jìn)行了類似實(shí)驗(yàn)，并驗(yàn)證了理論預(yù)測的準(zhǔn)確性。然而，關(guān)于原子核結(jié)構(gòu)是否會對這些高精度計(jì)算產(chǎn)生影響，仍有疑問。為了進(jìn)一步驗(yàn)證理論的普適性，研究團(tuán)隊(duì)選擇了另一種同位素——鉍-208進(jìn)行測試。這種同位素比鉍-209少一個(gè)中子，具有不同的核結(jié)構(gòu)。
實(shí)驗(yàn)中，研究人員通過核反應(yīng)從鉍-209中“敲出”一個(gè)中子，生成了鉍-208。隨后，他們在實(shí)驗(yàn)儲存環(huán)中將這一同位素完全電離，制成“類氫離子”。這些離子以接近光速的72%高速運(yùn)動，并在特定條件下被激光照射激發(fā)。
當(dāng)激光的能量恰到好處時(shí)，電子的自旋方向會發(fā)生翻轉(zhuǎn)。隨后，電子會釋放出光子信號，這些微弱的光信號被高靈敏度探測器捕捉并記錄，從而測得電子躍遷所需的精確能量值。
此次實(shí)驗(yàn)結(jié)果與基于量子電動力學(xué)的理論預(yù)測高度一致，且測量精度比以往提高了約10倍。這不僅驗(yàn)證了理論模型的準(zhǔn)確性，也展示了激光光譜技術(shù)在研究奇異原子中的巨大潛力。
來源：科技日報(bào)
