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研究人员首次使用X射线光相干地控制了核激发

同步加速器 原子核 X射线光
发布:2021-02-19 14:42:39    



图1:实验原理图。在第一个样品中产生的双脉冲在第二个样品的原子核中引起量子动力学,这可以通过延迟部分双脉冲来控制。信用:马克斯·普朗克学会

来自海德堡马克斯·普朗克核物理研究所的一组研究人员首次使用形状合适的X射线光相干地控制了核激发。在欧洲同步加速器ESRF上进行的实验中,他们获得了几毫秒的时间控制稳定性。这为开发利用核动力学控制的新实验方法奠定了基础,这可能导致更精确的未来时间标准,并为通往核电池的道路打开新的可能性。

量子动力学的现代实验可以通过激光场在很大程度上控制原子中电子的量子过程。但是,原子核的内寿命通常不起作用,因为它们的特征能量,时间和长度尺度是如此之大,以至于它们实际上不受激光场的影响。新鲜的方法为核物理注入了新的活力通过利用这种对外部干扰的不敏感性,并使用原子核的极尺度进行特别精确的测量。因此,原子核可以通过激发单个核子(类似于原子壳中的电子)以极其明确的能量响应X射线。这些跃迁可用作精确核时钟的钟表,这需要以最高的精度测量核特性。

来自海德堡马克斯·普朗克核物理研究所的物理学家研究人员团队不仅通过测量原子核的量子动力学,而且还通过使用形状合适的X射线脉冲控制了原子核的时间稳定性,从而向前迈进了一步。几秒钟的时间-比以前的结果好100倍。这为在原子核中打开了相干控制工具箱提供了全新的可能性和前景,相干控制工具箱已经在光谱学中成功建立,并可以用于原子核。

所谓的相干控制利用物质的波特性通过电磁场(例如激光脉冲)控制量子过程。除了频率或波长以外,每种波动现象还具有振幅(波高)和相位(波峰和波谷的时间位置)的特征。一个简单的类比是通过周期性波浪状推动来控制摆动摆动。为此,必须控制相对于摆动运动的推动的精确定时(相位)。如果推入即将来临的秋千,它将减速。另一方面,如果它移开,则其偏斜会因推动而增加。

图2:观察到的X射线干涉结构作为两个样品彼此之间的时间(t)和失谐(δ)的函数。(a)激励情况下的测量数据,(b)激励情况下的测量数据。信用:马克斯·普朗克学会

类似地,可以通过相应精确地控制所施加的激光场来控制物质的量子力学性质。在过去的几十年中,原子和分子的相干控制取得了巨大的进步和成功,光的时间精度下降到了亚秒级范围,即十亿分之一秒的十亿分之一,这与自然时间尺度相对应。原子中的电子数。例如,化学反应的控制或新的,更精确的时间标准的制定等可能用于未来应用的重要研究目标。

近年来,具有激光质量的X射线(同步辐射和自由电子激光器)的新型辐射源的出现开辟了一个新领域:核量子光学。海德堡马克斯·普朗克核物理研究所(MPIK)的克里斯托弗·基特尔和托马斯·菲费尔的各部门的物理学家现在已经成功地首次在欧洲同步加速器ESRF上证明了X射线对核激发的相干控制(法国格勒诺布尔) )与DESY(汉堡)和Helmholtz研究所/ Friedrich Schiller大学(耶拿)的研究人员合作。实现了几毫秒(一千分之一秒)的相干控制的稳定性。

在实验中,项目负责人约格·埃弗斯(JörgEvers)(MPIK)周围的研究人员使用了两个富含铁同位素57Fe的样品,并用来自同步加速器的短X射线脉冲对其进行了辐照(图1)。在第一个样品中,他们产生了可控的X射线双脉冲,然后将其用于控制​​第二个样品中核的动力学。所研究的核激发(通过X射线发射再次消除)的特征是具有非常高的能量锐度:所谓的Mössbauer跃迁。RudolfMössbauer于1958年在医学研究MPI上发现了潜在效应(诺贝尔奖1961),同年MPIK从中分离出来。

为了产生双脉冲,第一个样品的原子核被短的X射线脉冲激发,由于高能量锐度,以第二个X射线脉冲的形式释放这种激发相当缓慢。在实验中,样品在激发和灭激发之间快速移动了一个短距离,大约相当于X射线波长的一半。这改变了第二脉冲到第二样本的飞行时间,并因此使两个X射线脉冲的波的位置(相对相位)相对于彼此移动。


 

图3:以音叉为例的相干控制原理,代表了实验中的两个样本。爆炸声(蓝色)使两个音叉都振动,类似于同步加速器脉冲。砰的一声之后,第一个音叉发出的声音还会击中第二个音叉,就像双脉冲的第二部分一样。根据此声音是在相位(a)还是相位(b)上敲击第二个拨叉,通过半透明的未移动波可以看到半个波长的移动),其移动会被衰减或放大。类似地,可以通过双脉冲的两个部分的位移来控制原子核的量子动力学。信用:马克斯·普朗克学会

现在,该双脉冲可以控制第二个样品中的核。第一个脉冲激发原子核中的量子力学动力学,类似于振荡摆动。第二个脉冲根据两个X射线脉冲的相对相位改变此动态。例如,如果第二脉冲的波与核动力学同相地撞击第二样本,则原子核被进一步激发。通过改变相对相位,研究人员能够在原子核的进一步激发与原子核的去激励之间切换,从而控制原子核的量子力学状态。这可以从第二个样品后面的X射线辐射的测量干涉结构中重建(图2)。

图3中显示了一个声学类比。在这里,样本的Mössbauer核对应于音叉,该音叉通过短暂的撞击(“起步”,类似于同步加速器脉冲)而被激励,并依次以其精确的声音略微衰减。定义的频率。因此,第一叉的声音在撞击后敲打第二叉,作为额外的激励。在情况(a)中,此声波与第二个音叉相反,因此其振动被消减。在情况(b)中,第一个拨叉会快速移动,以使其声音与第二个拨叉的运动相反,因此会激发更多。

考虑到控制原子核的极端要求(第一个样品半波长的位移约为原子半径),外部干扰对实验质量的影响似乎很小,这是令人惊讶的。然而,由于测量序列的持续时间短,在此期间主要的干扰动作实际上被冻结,因此该方法有效。这种稳定性是未来基于核过渡的新应用的先决条件:更精确的时间标准,调查基本常数的变化或寻求超越公认模型的新物理学。

在原子动力学领域,深远的控制是许多应用的关键。这里展示的可能性为基于核动力学控制的新实验方法打开了大门,例如,通过准备特定量子态的核来进行更精确的测量。就未来的X射线源将使核的激发更为强烈而言,也可以设想能够在核的内部激发中存储和释放大量能量而不会发生核裂变或聚变的核电池。

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