为“大象身上的蚂蚁”称重,追求更高精度原子钟
为“大象身上的蚂蚁”称重,寻求更高精度原子钟  本报驻德国记者 李 山  近来,一个由马克斯·普朗克核物理研讨所科学家领导的世界科研团队,成功丈量出发作电子跃迁时单个原子质量的细小改变。这一新办法使得研制新的、更准确的原子钟成为可能,并为更好地知道原子内部拓荒了全新的途径。  高电荷离子是研制未来原子钟的抱负挑选之一  原子钟在日常日子和科学研讨中十分重要。它以原子内部的电子在两个能级间跳动时辐射出来的电磁波为规范,去操控校准电子振荡器,完成精准的时刻。  与原子比较,高电荷离子的外层电子与原子核的结合更强,对外部场的动摇更不灵敏,狭义相对论和量子电动力学的效应也更明显。因而,高电荷离子是未来研制更准确原子钟的抱负挑选之一。  但是,因为内部结构杂乱,要在高电荷离子中辨认适合于原子钟的电子跃迁十分困难,常用的光谱法丈量这种跃迁也不行准确。  现在,一个由马克斯·普朗克核物理研讨所的克劳斯·布劳姆教授和谢尔盖·埃利谢耶夫博士领导,包含俄罗斯、法国、日本和澳大利亚科学家参加的世界科研团队,运用高精度潘宁阱质谱仪(Pentatrap),成功丈量出铼离子的基态与激起态之间极端细小的质量差。依据爱因斯坦的质能方程E=mc2,粒子的能态改变也会反映在其质量改变上。科学家们就此发现一个高电荷铼离子中长寿数的亚稳态电子态,并直接确认其电子激起能,结果与高档核算共同。  为丈量高电荷离子的跃迁能量供给了可能性  马克斯·普朗克核物理研讨所的里马·舒斯勒博士和她的搭档们把一般含75个电子的铼原子,制备成短少29个电子的高电荷铼离子,然后引进到Pentatrap的潘宁阱中。这些铼离子之一保持在最低的能量状况,即基态,别的两个则经过软X射线使其取得能量进入激起态。在磁场和特别形状电场的效果下,高电荷铼离子在潘宁阱中沿圆形轨迹工作。类似于在空中旋转系在绳子上的球,相同力的效果下,较重的球旋转速度要比较轻的球旋转速度慢。Pentatrap准确地核算不同铼离子每单位时刻的盘绕数,盘绕数的差异即反映出分量的添加。  舒斯勒博士做了一个十分形象的比方,这相当于“经过给一个六吨重的大象称重,使咱们可以确认是否有十毫克的蚂蚁在上面匍匐”。运用他们的Pentatrap,科学家们可以证明铼离子现已转变为一个亚稳态的量子态,寿数约130天。这样的跃迁需求202电子伏特的跃迁能量。不过,铼离子的这一量子态尚不适用于原子钟,因为它需求X射线激起。但运用Pentatrap的质量丈量办法来专门查找需求较少活化能的高电荷离子中的进一步能量跃迁,将使得具有这种离子的高精度原子钟变得越来越可行。  因为运用惯例办法很难完成,该办法为丈量高电荷离子的跃迁能量供给了令人兴奋的可能性。此外,这一新办法还有望用于根底物理学的研讨。如高精度地测验狭义相对论和量子理论是否依照迄今的理论所描绘的方法相互效果,或许用来查找只有极弱的引力才干注意到的不知道粒子,例如暗物质。 【修改:叶攀】

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