PTB对一种不同寻常的原子核的性能进行了首次光学测量 在所有已知的核素中,钍(元素符号:Th)-229的原子核具有一种独特的性能:它应该有可能被紫外线激发。到目前为止,对钍-229核的低能态所知甚少。德国联邦物理技术研究院(PTB)的研究人员与他们在慕尼黑和美因茨的同事一起,首次使用光学方法测量了这种核能态的一些重要性能,如电荷分布的形状。通过这种方法,可以监测原子核的激光激发,从而使光核钟比现在的原子钟更能精确地“嘀嗒”运行。科学家们已在期刊《自然》(Nature)上发表了他们的研究结果。
在通往光核钟的道路上

PTB科学家Johannes Thielking用激光装置测量了钍-229的核性能。(照片:PTB)
在通往光核钟的道路上 以钍-229原子核的跃迁为基础的核时钟的图示(左)。在这个时钟中,原子核会被激光激发。在该实验中,电子壳层的激光激发可测量激发的同质异构核的相关性能。背景是一张核素图,列出了所有已知的原子核,从其中的特效图清晰可见钍-229基态的半衰期为7932年。同质异能态的半衰期在中性原子中仅为7µs,但对于离子而言却大于 60s,因为其不能发出一个松散附着的电子。图中也能看出明确的核性能m及Q,表示电荷分布和形状。(资料来源:Christoph Dullmann,美因茨大学-JGU Mainz)

早在15年前,在PTB布伦瑞克院区从事研究工作的Ekkehard Peik和Christian Tamm就构思出一种新原子钟的概念,这种原子钟具有独特的性能:它们不像当今使用的所有原子钟那样利用电子壳层中两种能态之间的跃迁频率作为脉冲发生器,而是要使用原子核中的跃迁频率。由于原子核中的质子和中子比原子壳层内的电子密度大好几个数量级,它们对可能改变其跃迁频率的外部干扰的反应较不敏感,因此为高精度时钟提供了良好的条件。

然而,核跃迁的频率也比壳层跃迁的频率高得多(在X射线范围内);由于这个原因,它们不能用于原子钟,到目前为止,原子钟完全是基于微波或激光的。众所周知唯一的例外,即PTB提议的基础,是钍-229的原子核。在极低的激发能下,这种原子核具有准稳定的异构核能态。因此,基态和这种同分异构态之间存在着一种跃迁,这种跃迁在紫外光的频率范围内,亦在类似于现在的光学原子钟的激光技术的范围内。

目前,全世界有十多个研究小组正在进行有关钍-229核时钟可行性的项目。就实验而言,这项研究经证明是极其困难的。由于这个原因,迄今为止还没有成功地观测到利用光学方法的核跃迁,因为关于精确的激发能的认识只是近似的。“正如对时钟所抱有的期望那样,这种跃迁的共振是非常强烈的,只有当激光的频率恰好与两种状态的能量差相匹配时才能观察到。因此,这个问题就如同大海捞针。”Peik博士简言道。

2016年,Peik博士与他慕尼黑路德维希-马克西米利安大学(LMU)的合作伙伴在期刊《自然》(Nature)上发表了他们的第一个突破:他们首次证明了钍- 229内的核跃迁,不过他们使用的方法与原子钟所使用的方法截然不同。

这个合作研究项目,除了PTB和LMU的科学家外,还包括约翰内斯·古腾堡-美因茨大学、亥姆霍兹美因茨研究所及达姆施塔特亥姆霍兹重离子研究中心(GSI)的科学家们,现已迈出决定性的一步:首次在钍- 229的激发态下测量了诸如电荷分布的大小和形状等基本性能。不过直到此时,钍-229原子核并没有从它们的基态被激发(这将在未来的时钟中发生),在LMU开发的装置中,它们是从铀-233的α衰变中以激发态获得的,并以Th2+离子的形式储存在离子阱中。美因茨和达姆施塔特的研究小组提供了一种适用于此目的的铀-233源。借助PTB针对这些离子光谱开发的激光系统,可以准确地测量电子壳层的跃迁频率。由于这些频率直接受到核性能的影响,因此可以据此获得这些性能的相关信息。到目前为止,仅以理论为基础的模型还无法预测钍-229原子核的结构在这种异常的低能跃迁过程中的表现。此外,由于电子壳层的结构更容易用光谱法测量,因此用它来演示原子核的激光激发就成为可能。

然而,虽然目前的成果并不意味着已经完成了对钍-229原子核(“大海捞针”)的光学共振频率的研究,但我们至少知道了需要捞的“针”的实际样子,这使得我们朝着光学原子钟又迈进了重要的一大步。

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