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用激光激发原子核Th-229

2024-05-06 16:50     来源:物理研究更新 大锅天眼     同位素 原子核核物理
原子核领域,笼罩在复杂性中,受神秘的量子力学定律支配,最近取得了突破性的成就。发表在《物理评论快报》的一篇论文,科学家们成功地利用激光激发操纵Th-229 核,为核物理、精密计时和基础常数组测量领域开辟了新的可能性。

这项研究的核心是同位素Th-229的独特性质。与大多数原子核不同,它具有一种长寿命、低能量的激发态。这个特殊的异构体,记为Th-229m,距离基态仅 8.4 电子伏特。这个微小的能量差落入了真空紫外光谱范围,使其可以利用专门设计的激光进行操纵。

德国计量研究所和维也纳理工大学的研究人员合作取得了突破性进展,成功地实现了Th-229核的靶向激发。他们的策略是将Th-229原子掺入氟化钙 (CaF2) 晶体中。通过精心调整激光系统,他们能够发出能量与Th-229m异构体激发能完全匹配的光脉冲。这种共振相互作用触发了预期的跃迁,促使Th-229核从基态跃迁到激发异构体状态。

实验的成功通过检测到一个明显的特征——共振荧光得到了证实。当激发态的Th-229m核衰变回基态时,它们会发出特定波长的光子,为激光诱导激发提供了确凿的证据。值得注意的是,这种荧光信号仅在掺杂了 Th-229 的晶体中观察到,而在使用更常见的 Th-232 同位素的控制实验中则没有观察到,这证实了该技术的靶向性。

这项研究具有深远的影响。首先,它为开发基于Th-229m 异构体的全新类型核钟铺平了道路。原子钟是目前时间测量的金标准,利用电子的自然跃迁频率来保持极其精确的时间测量。而Th-229m 具有极其长寿命的激发态(持续约 34.4 纳秒),有望创造出具有无与伦比的稳定性和精度的核钟。

其次,这一成就为超灵敏量子传感应用打开了大门。利用激光操纵核状态的能力,为探测核的基本性质提供了强大的工具。这种新发现的能力有可能彻底改变我们对核结构的理解,并可能导致与强核力和元素起源相关的发现。

此外,使用激光技术精确测量 Th-229m 激发能为更严格的基础常数组测试奠定了基础。这些常数,如精细结构常数,被认为在整个宇宙中都是恒定的。然而,一些理论模型预测了随时间或空间发生的细微变化。通过使用 Th-229m 作为基准,科学家可以进行高精度测量来搜索这些基本常数的任何潜在变化,进一步了解宇宙的物理规律。

总而言之,Th-229 核的激光激发代表了核物理领域的重要飞跃。这项开创性的研究有可能彻底改变时间测量,完善我们对原子核的理解,并揭示宇宙的基本常数。


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