測量“大象身上的螞蟻”，追求更高精度原子鐘_風聞

來源: 中國科技網  科技日報   作者: 李山   時間：2020-05-18 

原文網址：http://www.stdaily.com/index/kejixinwen/2020-05/18/content_942893.shtml

科技日報駐德國記者 李山

近日，一個由馬克斯·普朗克核物理研究所科學家領導的國際科研團隊，成功測量出發生電子躍遷時單個原子質量的微小變化。這一新方法使得研發新的、更精確的原子鐘成為可能，併為更好地認識原子內部開闢了全新的途徑。

在高精度潘寧阱質譜儀中進行高電荷離子質量測量的示意圖。圖片來源：《自然》雜誌

高電荷離子是研發未來原子鐘的理想選擇之一

原子鐘在日常生活和科學研究中非常重要。它以原子內部的電子在兩個能級間跳躍時輻射出來的電磁波為標準，去控制校準電子振盪器，實現精準的時間。

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

然而，由於內部結構複雜，要在高電荷離子中識別適合於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·埃利謝耶夫博士領導，包括俄羅斯、法國、日本和澳大利亞科學家參與的國際科研團隊，利用高精度潘寧阱質譜儀（Pentatrap），成功測量出錸離子的基態與激發態之間極其微小的質量差。根據愛因斯坦的質能方程E=mc2，粒子的能態變化也會反映在其質量變化上。科學家們就此發現一個高電荷錸離子中長壽命的亞穩態電子態，並直接確定其電子激發能，結果與高級計算一致。

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裏馬·舒斯勒博士和她的同事們把通常含75個電子的錸原子，製備成缺少29個電子的高電荷錸離子，然後引入到Pentatrap的潘寧阱中。這些錸離子之一保持在最低的能量狀態，即基態，另外兩個則通過軟X射線使其獲得能量進入激發態。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。類似於在空中旋轉系在繩索上的球，相同力的作用下，較重的球旋轉速度要比較輕的球旋轉速度慢。Pentatrap精確地計算不同錸離子每單位時間的環繞數，環繞數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，這相當於“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，科學家們能夠證明錸離子已經轉變為一個亞穩態的量子態，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尚不適用於原子鐘，因為它需要X射線激發。但使用Pentatrap的質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。

由於使用常規方法很難實現，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於基礎物理學的研究。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。