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机械振动使铁对伽马射线变得透明

发布:2020-05-14 10:44:28    

中国核技术网讯:利用一种被称为声诱导透明(AIT)的新技术,铁原子核在伽马射线下变得透明,而伽马射线通常会被铁原子核吸收。这一壮举是由美国和俄罗斯的物理学家完成的,他们用压电换能器振动了铁穆斯堡尔吸振器。研究人员认为,这种效应有助于控制原子核辐射的发射,从而制造出更精确的原子钟和其他量子光学设备。这项技术甚至可以用来减缓伽马射线通过物质的速度。

这种新效果让人想起电磁感应透明性(EIT),它涉及的光频率远低于伽马射线。通常,通过使用一种频率的光来控制原子中的电子能级,从而影响其与另一频率的光相互作用的能力,从而实现EIT。EIT已用于在激光器中产生光谱纯净的光,并在原子钟中产生频率标准。但是,EIT最引人注目的用途是将光线放慢到介质中暂时停止,然后再放开。

物理学家希望将EIT推到更高的光子频率,但是事实证明这非常困难,因为它涉及使用高能电子态,该态会迅速衰减并以定义不明确的光子频率发光。“电子很难保持高激发态,” 德克萨斯农工大学的Olga Kocharovskaya解释说。“它想进入基态,因此有很多放松机制。”

极其尖锐的过渡

一种潜在的解决方案是利用原子核发射的伽马射线。Kocharovskaya说:“核跃迁可能非常尖锐,原则上处于激发态的核可能活数百年,而且即使在室温下,也能获得非常窄的线宽跃迁。” 但是,她说,还存在很大的挑战:“如今,没有光谱上明亮的伽玛射线光子源,也没有光学元件(例如延迟线,开关,反射镜或透镜)来操纵和控制这些伽玛射线光子” 。

多个研究小组已尝试开发可在光谱的硬X射线和伽马射线区域工作的EIT变体。例如,2012年,德国汉堡DESY的RalfRöhlsberger及其同事在支持X射线驻波的腔体内放置了两层2 nm厚的铁57层。他们能够将入射的14.4 keV光子的铁吸收率改变四倍,这取决于他们是将第一层还是第二层放置在驻波的节点上。但是,没有人能通过其他吸收性介质实现近乎完全的传输。

现在,位于下诺夫哥罗德的俄罗斯科学院应用物理研究所的得克萨斯州A&M科学家和同事们创建了AIT,它依赖于动量对话。铁57的核跃迁为14.4 keV,这意味着核可以吸收此能量的光子,然后重新发射。但是,当原子核吸收伽马射线光子时,它必须稍微后退。需要来自光子的能量来驱动该后坐力,这意味着吸收所涉及的光子必须具有比单独的核激发稍高的能量(频率)。当发射光子时,情况正好相反–光子的能量比激发能略低。

莫斯鲍尔效应

如果原子核自由移动,则这种能量失配意味着从一个铁57核发射的光子不能被另一个铁57核吸收。但是,当原子核束缚在固体晶格中时,后坐力可忽略不计,因此会发生吸收。这种现象称为Mössbauer效应,被广泛用于研究固体的性质。

当固体中的原子核来回振动时(由于样品是机械振动的,或者是通过声波甚至是热运动的),多普勒效应会导致吸收移到更高和更低的频率。结果是以吸收频率为中心的离散吸收线的梳状结构。然而,有趣的是,在某些条件下,Kocharovskaya及其同事计算出中心峰应完全消失,从而导致该材料在吸收频率下对伽马射线完全透明。

研究人员使用14.4 keV伽马射线光子从受激的铁57核衰变到基态进行了测试。他们使用相同的材​​料吸收光子,并在振动的压电换能器上安装了铁膜。他们发现,当以适当的频率振动吸收器时,其对14.4 keV光子的吸收被抑制了148倍。

铁57激发态的寿命只有100 ns,但是研究人员现在打算研究寿命更长,研究较少的激发态,例如scan 45,其寿命约为1 s。“在这段时间内,光子以激发态存储,” Kocharovskaya解释说。这有可能在量子存储器和量子通信中找到应用。

罗尔斯贝格(Röhlsberger)怀疑这项研究将“相当令人振奋”。“该领域的人们正在研究更复杂的方案。这非常简单,很久以前就可以发现。”他说。“它不需要设置复杂的仪器,因此-尤其是在现代同步加速器源和X射线激光器中-我可以想象这会产生影响,因为您可以有效地将厚样品中的透射率从1调制为零。”

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