近日，一個由馬克斯·普朗克核物理研究所科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國際科研團(tuán)隊，成功測量出發(fā)生電子躍遷時單個原子質(zhì)量的微小變化。這一新方法使得研發(fā)新的、更精確的原子鐘成為可能，并為更好地認(rèn)識原子內(nèi)部開辟了全新的途徑。

　　高電荷離子是研發(fā)未來原子鐘的理想選擇之一

　　原子鐘在日常生活和科學(xué)研究中非常重要。它以原子內(nèi)部的電子在兩個能級間跳躍時輻射出來的電磁波為標(biāo)準(zhǔn)，去控制校準(zhǔn)電子振蕩器，實現(xiàn)精準(zhǔn)的時間。

　　與原子相比，高電荷離子的外層電子與原子核的結(jié)合更強，對外部場的波動更不敏感，狹義相對論和量子電動力學(xué)的效應(yīng)也更顯著。因此，高電荷離子是未來研發(fā)更精確原子鐘的理想選擇之一。

　　然而，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要在高電荷離子中識別適合于原子鐘的電子躍遷非常困難，常用的光譜法測量這種躍遷也不夠精確。

　　現(xiàn)在，一個由馬克斯·普朗克核物理研究所的克勞斯·布勞姆教授和謝爾蓋·埃利謝耶夫博士領(lǐng)導(dǎo)，包括俄羅斯、法國、日本和澳大利亞科學(xué)家參與的國際科研團(tuán)隊，利用高精度潘寧阱質(zhì)譜儀（Pentatrap），成功測量出錸離子的基態(tài)與激發(fā)態(tài)之間極其微小的質(zhì)量差。根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mc2，粒子的能態(tài)變化也會反映在其質(zhì)量變化上?？茖W(xué)家們就此發(fā)現(xiàn)一個高電荷錸離子中長壽命的亞穩(wěn)態(tài)電子態(tài)，并直接確定其電子激發(fā)能，結(jié)果與高級計算一致。

　　為測量高電荷離子的躍遷能量提供了可能性

　　馬克斯·普朗克核物理研究所的里馬·舒斯勒博士和她的同事們把通常含75個電子的錸原子，制備成缺少29個電子的高電荷錸離子，然后引入到Pentatrap的潘寧阱中。這些錸離子之一保持在最低的能量狀態(tài)，即基態(tài)，另外兩個則通過軟X射線使其獲得能量進(jìn)入激發(fā)態(tài)。在磁場和特殊形狀電場的作用下，高電荷錸離子在潘寧阱中沿圓形軌道運轉(zhuǎn)。類似于在空中旋轉(zhuǎn)系在繩索上的球，相同力的作用下，較重的球旋轉(zhuǎn)速度要比較輕的球旋轉(zhuǎn)速度慢。Pentatrap精確地計算不同錸離子每單位時間的環(huán)繞數(shù)，環(huán)繞數(shù)的差異即反映出重量的增加。

　　舒斯勒博士做了一個非常形象的比喻，這相當(dāng)于“通過給一個六噸重的大象稱重，使我們能夠確定是否有十毫克的螞蟻在上面爬行”。利用他們的Pentatrap，科學(xué)家們能夠證明錸離子已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€亞穩(wěn)態(tài)的量子態(tài)，壽命約130天。這樣的躍遷需要202電子伏特的躍遷能量。不過，錸離子的這一量子態(tài)尚不適用于原子鐘，因為它需要X射線激發(fā)。但使用Pentatrap的質(zhì)量測量方法來專門搜索需要較少活化能的高電荷離子中的進(jìn)一步能量躍遷，將使得具有這種離子的高精度原子鐘變得越來越可行。

　　由于使用常規(guī)方法很難實現(xiàn)，該方法為測量高電荷離子的躍遷能量提供了令人興奮的可能性。此外，這一新方法還有望用于基礎(chǔ)物理學(xué)的研究。如高精度地測試狹義相對論和量子理論是否按照迄今的理論所描述的方式相互作用，或者用來搜索只有極弱的引力才能注意到的未知粒子，例如暗物質(zhì)。