吳忠華 譯

（中國(guó)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(gè)電子態(tài)遷移到另一個(gè)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(guó)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(shí)現(xiàn)了對(duì)原子核激發(fā)的相干控制。這項(xiàng)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(shí)鐘技術(shù)，和儲(chǔ)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(shí)，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(gè)原子內(nèi)電子殼層間電子躍遷產(chǎn)生的能量差大6個(gè)數(shù)量級(jí)。研究小組成員克利斯多夫·凱特爾(Christoph Keitel)進(jìn)一步說道：“一個(gè)核組分的單次量子躍遷可以泵浦多達(dá)百萬(wàn)倍的能量進(jìn)入激發(fā)態(tài)，或者再次把這多達(dá)百萬(wàn)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(chǔ)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(bǔ)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(gè)特性可用來制造原子核時(shí)鐘，其精確性遠(yuǎn)比當(dāng)今用于精確計(jì)時(shí)以及導(dǎo)航的原子時(shí)鐘高得多。這些超精確的時(shí)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(xiàng)技術(shù)，海德堡團(tuán)隊(duì)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(xiàng)研究工作中，研究人員在法國(guó)格勒諾布爾的歐洲同步輻射裝置(ESRF)上，利用一個(gè)“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(gè)部件的目的是使兩個(gè)脈沖中的一個(gè)脈沖相對(duì)于另一個(gè)脈沖發(fā)生延遲。

埃弗斯和同事們將第一個(gè)脈沖發(fā)送到由1 μm厚的不銹鋼箔制成的“測(cè)試”標(biāo)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(gè)核(磁偶極)躍遷。經(jīng)過一段時(shí)間的延遲后，讓第二個(gè)脈沖跟隨第一個(gè)脈沖，之后兩個(gè)脈沖都會(huì)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(gè)脈沖包含寬的混合頻率，且非常短暫，持續(xù)時(shí)間只有100 皮秒(1 ps=10-12秒)，這個(gè)脈沖激發(fā)了57Fe原子核的量子躍遷。第二個(gè)脈沖更長(zhǎng)，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(gè)脈沖之間的時(shí)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(shí)候會(huì)導(dǎo)致人來回?cái)[動(dòng)或振蕩，第二次推要么增強(qiáng)振蕩，要么減緩振蕩，這取決于它在振蕩相位中的什么時(shí)間發(fā)生。因此，第二個(gè)脈沖對(duì)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(dòng)力學(xué)中實(shí)現(xiàn)如此嚴(yán)格控制的變化，是海德堡團(tuán)隊(duì)花了數(shù)年時(shí)間才完成的技術(shù)壯舉。除其他因素外，它要求第二個(gè)脈沖的延遲在幾個(gè)澤秒(1 zs=10-21s)的時(shí)間尺度上是穩(wěn)定的，只有這樣，這兩個(gè)脈沖才能一起控制原子核激發(fā)。

在這些《自然》期刊報(bào)道的研究結(jié)果激勵(lì)下，研究人員現(xiàn)在計(jì)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)”。