數十年的醞釀　雷射激發原子核有突破性發現

編譯／高晟鈞

物理學家已經成功地利用雷射識別並操縱了釷原子核狀態。這項發現實現了經典量子物理學和原子核物理學的融合，有望在精密測量技術和基礎物理學方面取得進步，開發出精度超越當前原子鐘的「原子核鐘」，和其他高精度技術。

切換量子態

以現在的技術，用雷射操縱原子或分子已經很常見。如果雷射的波長選擇得恰到好處，原子或分子就可以從一種狀態切換到另一種狀態。透過這種方式，科學家得以精確地測量原子或分子的能量。許多精密測量技術都是基於此，例如原子鐘，化學分析；而雷射也經常用於量子計算機，以將資訊儲存在原子或分子中。

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然而，長期以來，將這些技術應用於原子核始終難以實現。理論上，原子核也可以在不同的量子態之間切換；然而，需要的能量至少是原子或分子中電子能量的一千倍。因此，雷射中光子的能量對於這個過程來說，是遠遠不夠的。

這是不幸的，因為原子核實際上是用於精確測量的完美量子物體。原子核遠比原子和分子小得多，因此更不易受到外部干擾（例如電磁場）的影響，能夠以前所未有的精度進行測量。

夢想的開端

自1970年代以來，人們一直猜測可能存在一種特殊的原子核，與其他原子核不同，它也許可以用雷射操縱，這種原子核便是釷229。釷229有兩個非常接近的能態，理論上雷射應該足以改變原子核的狀態。然而，實現這種狀態改變，需要非常精確知道躍遷的能量，可能需要小至百萬分之一伏特，如同是大海撈針般困難。

所幸，透過特殊的方法，研究團隊縮短了所需的測量時間，成功在2023年11月21日以正確的躍遷能量擊中釷原子核，有望對原子核首次進行定向雷射激發。

原子核鐘的夢想

激發釷躍遷的光的振盪可以用作新型原子鐘的定時器，實現當今為止最精準的時間測量。但透過這種方式，能夠進行高精度測量的不僅僅是時間，還可以對重力場進行精確分析，提供礦產資源或地震的資訊，甚至是解開物理學的基本奧秘──自然常數真的是恆定的嗎？

「我們的測量方法只是夢想的開始，我們還無法預測將取得什麼成果，但肯定會非常令人振奮。」作者Thorsten Schumm說道。

《科技島》主編認為，這次關於雷射操縱釷原子核的發現引起了極大的關注。將經典量子物理學與原子核物理學相結合，開啟了一個新的領域，有望在精密測量技術和基礎物理學方面取得重大進步。這種創新將有助於開發出比現有原子鐘更精密的「原子核鐘」，並在其他領域如地質、物理學等方面做出重大貢獻。這項發現的意義超乎想像，值得期待未來的進一步研究成果。

資料來源:ScitechDaily                                                            

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