《Nature》:首次用“爱因斯坦质能方程”称出了量子激发态!

原子钟利用原子中电子能级之间的跃迁作为计时原理的参考,是世界上最精确的时钟,在整个宇宙的生命周期中不会偏差一秒,这意味着它们可以用于超精密测量,以探测现代物理学的一些基本假设。建立一个时钟需要一个周期性事件,利用其频率作为计时的参考,而原子中的电子跃迁是实现这一目标的完美自然振荡器,这必须将一个超稳定的激光调谐到原子跃迁的精确频率来驱动振荡,就像调谐一个乐器以产生正确的音调一样。

任何原子的跃迁都可以用吗?不,合适的跃迁很难实现。最好的跃迁是从原子的最低能态(基态)开始,并且必须以长寿命(亚稳态)激发态结束,激发跃迁所需的能量也必须在台式激光技术的范围内。此外,原子必须被束缚在陷阱中,使得它们的运动几乎被完全冻结,换句话说,原子钟的运行需要精确地操纵量子系统。因此,目前可用的时钟使用的跃迁要么是在电中性原子中的,要么是在由从原子中除去一个电子而产生的离子中的,因为这些体系最适合精确的量子控制。

在原子钟研究中,基于高电荷离子(HCI;许多电子从中被移除的原子)的时钟预计具有更高的灵敏度。HCI的研究已经取得了实质性进展,使用这种离子制作时钟所需的所有技术在今年得到了证实。然而,由于难以使用传统的原子光谱技术来识别和测量适合在时钟中使用的跃迁,这一进展受到了阻碍:根据定义,这种跃迁的特征意味着它们非常微弱(发生跃迁的概率很小)。

马克斯普朗克核物理研究所的Eliseev和 Schüssler团队使用了一种完全不同且巧妙的方法来测量在高电荷铼离子(Re29+)中的弱跃迁过程产生的能量变化:他们通过爱因斯坦著名的能量-质量等效原理(E = mc2)将质量测量转化为能量测量,利用超精密PENTATRAP原子天平首次成功地测量了单个原子质量的这种微小变化。通过测量铼中基态和激发态之间的质量差来观察HCI中的长寿命亚稳电子态,提供了对电子激发能的非破坏性直接测定,得到的结果与进一步的计算结果一致。测得的离子基态与亚稳态的回旋加速频率比精度为10-11,比以前的测量提高了10倍。研究小组在铼中发现了一个以前未被观测到的量子态,这可能对未来的原子钟很有意义。最重要的是,这种极其灵敏的原子天平使我们能够更好地理解重原子的复杂量子世界。相关研究以“Detection of metastable electronic states by Penning trap mass spectrometry”问题发表在Nature上。

《Nature》:首次用“爱因斯坦质能方程”称出了量子激发态!

研究者的基本思想是在彭宁阱中束缚单个离子,这是一种利用磁场和电场限制带电粒子的装置。彭宁阱中离子的质量可以通过测量离子在磁场中的运动频率(回旋加速频率)来确定。原子或离子的结合能——将原子分解成自由电子和原子核所需的能量——在激发亚稳态下与基态不同。因此质量也会改变,进而改变回旋加速频率。

在他们的实验中,Schüssler等测量了Re29+在基态和亚稳态下回旋加速频率的比值(R)。由于Re29+中两种状态的能量之差与离子的总能量相比非常小,因此测量的精度要求非常高。作者们采用一种叫做PENTATRAP的装置以10-11的精度测量了R。Schüssler用下面的类比来描述通过铼原子的质量变化探测电子跃迁到这个量子态的灵敏度:“通过称一头6吨重的大象,我们能够确定一只10毫克重的蚂蚁是否在上面爬行。”

《Nature》:首次用“爱因斯坦质能方程”称出了量子激发态!
图1 高电荷离子的质量测量。Schüssler等使用了一种叫做PENTATRAP的仪器,由五个叠加的离子阱组成,用来确定铼离子Re29+在基态(蓝色离子)和亚稳态激发态(红色离子)中的质量差异。根据两种不同状态下离子的回旋加速频率之比,作者确定了离子质量的相关差异,从而确定了当Re29+离子在两种状态之间跃迁时发生的能量变化。使用传统的原子光谱法进行这样的测量是困难的。

 

PENTATRAP由一叠五个冷却到4K的彭宁阱组成(图1)。阱2和3用来测量回旋加速频率,而阱1和4用来存储离子。目前的实验中并没有使用阱5,但将来可以用来监测磁场和其他实验变量的波动。

作者将三种离子装入深阱中,使阱2和阱4中的离子处于相同的状态(亚稳态或基态),阱3中的离子处于另外的状态。首先,他们同时测量了阱2和阱3中离子的回旋加速频率。然后他们将三个离子上移一个阱,有效地交换阱2和阱3中离子的状态(离子的状态没有改变,只是位置改变;图1),同时测量这些离子的回旋加速频率。三个离子再下移一个阱,这个序列再次开始。总的来说,阱2和阱3中的电子态被反复交换,并且在每次交换后同时进行测量。

该实验方法结合PENTATRAP器件的设计,抑制了磁场变化对R的影响,使R的测定具有较高的精度。基态和激发态之间的能量差可以通过爱因斯坦方程利用R和离子质量计算;离子的实际质量只需要10-4的精度。

利用这种方法,研究小组在铼中发现了一种非常长寿命的量子态。它是亚稳态的(即在一定的寿命后会衰变),寿命的理论计算结果为130天。量子态的位置也与使用最先进的量子力学方法的模型计算非常吻合。

这种方法的首次演示为测量HCI中的跃迁能量开辟了令人兴奋的可能性,这些跃迁能很难用常规方法测量。此外,Schüssler及其同事测量的能量变化与进一步的理论计算结果非常吻合。这一一致性表明,该理论可用于预测HCI中的跃迁能,从而促进更多跃迁的发现。

在当前工作中测量的跃迁能量的对应频率位于可用于时钟的激光范围之外。但作者指出,应该有可能使用他们的方法来测量具有更低频率的适合在不久的将来时钟的跃迁。

基于HCI跃迁的时钟特别吸引人,因为它们可以用于严格的测试,这些测试足够灵敏,可以检测出超出粒子和相互作用标准模型的物理现象,例如基本物理常数的变化和对洛伦兹不变性违反(物理学的基石,是爱因斯坦狭义相对论的数学基础)。这种时钟对超轻暗物质的影响也特别敏感。在过去几年里,在控制HCI方面取得了巨大的进展,为这些应用铺平了道路。由PENTATRAP实现的精密质谱也将有其他有价值的应用,如在能量-质量等效原理的测试、中微子粒子质量上限的实验测定、以及关于量子电动力学的测试。

参考来源:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2221-0

https://www.mpi-hd.mpg.de/mpi/en/public-relations/news/news-item/quantensprung-auf-der-waage

https://www.nature.com/articles/d41586-020-01251-6

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