首次用“愛因斯坦質能方程”稱出瞭量子激發態!

《Nature》:首次用“愛因斯坦質能方程”稱出瞭量子激發態!

原子鐘利用原子中電子能級之間的躍遷作為計時原理的參考,是世界上最精確的時鐘,在整個宇宙的生命周期中不會偏差一秒,這意味著它們可以用於超精密測量,以探測現代物理學的一些基本假設。建立一個時鐘需要一個周期性事件,利用其頻率作為計時的參考,而原子中的電子躍遷是實現這一目標的完美自然振蕩器,這必須將一個超穩定的激光調諧到原子躍遷的精確頻率來驅動振蕩,就像調諧一個樂器以產生正確的音調一樣。

任何原子的躍遷都可以用嗎?不,合適的躍遷很難實現。最好的躍遷是從原子的最低能態(基態)開始,並且必須以長壽命(亞穩態)激發態結束,激發躍遷所需的能量也必須在臺式激光技術的范圍內。此外,原子必須被束縛在陷阱中,使得它們的運動幾乎被完全凍結,換句話說,原子鐘的運行需要精確地操縱量子系統。因此,目前可用的時鐘使用的躍遷要麼是在電中性原子中的,要麼是在由從原子中除去一個電子而產生的離子中的,因為這些體系最適合精確的量子控制。

在原子鐘研究中,基於高電荷離子(HCI;許多電子從中被移除的原子)的時鐘預計具有更高的靈敏度。HCI的研究已經取得瞭實質性進展,使用這種離子制作時鐘所需的所有技術在今年得到瞭證實。然而,由於難以使用傳統的原子光譜技術來識別和測量適合在時鐘中使用的躍遷,這一進展受到瞭阻礙:根據定義,這種躍遷的特征意味著它們非常微弱(發生躍遷的概率很小)。

馬克斯普朗克核物理研究所的Eliseev和 Schüssler團隊使用瞭一種完全不同且巧妙的方法來測量在高電荷錸離子(Re29+)中的弱躍遷過程產生的能量變化:他們通過愛因斯坦著名的能量-質量等效原理(E = mc2)將質量測量轉化為能量測量,利用超精密PENTATRAP原子天平首次成功地測量瞭單個原子質量的這種微小變化。通過測量錸中基態和激發態之間的質量差來觀察HCI中的長壽命亞穩電子態,提供瞭對電子激發能的非破壞性直接測定,得到的結果與進一步的計算結果一致。測得的離子基態與亞穩態的回旋加速頻率比精度為10-11,比以前的測量提高瞭10倍。研究小組在錸中發現瞭一個以前未被觀測到的量子態,這可能對未來的原子鐘很有意義。最重要的是,這種極其靈敏的原子天平使我們能夠更好地理解重原子的復雜量子世界。相關研究以“Detection of metastable electronic states by Penning trap mass spectrometry”問題發表在Nature上。

《Nature》:首次用“愛因斯坦質能方程”稱出瞭量子激發態!

研究者的基本思想是在彭寧阱中束縛單個離子,這是一種利用磁場和電場限制帶電粒子的裝置。彭寧阱中離子的質量可以通過測量離子在磁場中的運動頻率(回旋加速頻率)來確定。原子或離子的結合能——將原子分解成自由電子和原子核所需的能量——在激發亞穩態下與基態不同。因此質量也會改變,進而改變回旋加速頻率。

在他們的實驗中,Schüssler等測量瞭Re29+在基態和亞穩態下回旋加速頻率的比值(R)。由於Re29+中兩種狀態的能量之差與離子的總能量相比非常小,因此測量的精度要求非常高。作者們采用一種叫做PENTATRAP的裝置以10-11的精度測量瞭R。Schüssler用下面的類比來描述通過錸原子的質量變化探測電子躍遷到這個量子態的靈敏度:“通過稱一頭6噸重的大象,我們能夠確定一隻10毫克重的螞蟻是否在上面爬行。”

《Nature》:首次用“愛因斯坦質能方程”稱出瞭量子激發態!
圖1 高電荷離子的質量測量。Schüssler等使用瞭一種叫做PENTATRAP的儀器,由五個疊加的離子阱組成,用來確定錸離子Re29+在基態(藍色離子)和亞穩態激發態(紅色離子)中的質量差異。根據兩種不同狀態下離子的回旋加速頻率之比,作者確定瞭離子質量的相關差異,從而確定瞭當Re29+離子在兩種狀態之間躍遷時發生的能量變化。使用傳統的原子光譜法進行這樣的測量是困難的。

PENTATRAP由一疊五個冷卻到4K的彭寧阱組成(圖1)。阱2和3用來測量回旋加速頻率,而阱1和4用來存儲離子。目前的實驗中並沒有使用阱5,但將來可以用來監測磁場和其他實驗變量的波動。

作者將三種離子裝入深阱中,使阱2和阱4中的離子處於相同的狀態(亞穩態或基態),阱3中的離子處於另外的狀態。首先,他們同時測量瞭阱2和阱3中離子的回旋加速頻率。然後他們將三個離子上移一個阱,有效地交換阱2和阱3中離子的狀態(離子的狀態沒有改變,隻是位置改變;圖1),同時測量這些離子的回旋加速頻率。三個離子再下移一個阱,這個序列再次開始。總的來說,阱2和阱3中的電子態被反復交換,並且在每次交換後同時進行測量。

該實驗方法結合PENTATRAP器件的設計,抑制瞭磁場變化對R的影響,使R的測定具有較高的精度。基態和激發態之間的能量差可以通過愛因斯坦方程利用R和離子質量計算;離子的實際質量隻需要10-4的精度。

利用這種方法,研究小組在錸中發現瞭一種非常長壽命的量子態。它是亞穩態的(即在一定的壽命後會衰變),壽命的理論計算結果為130天。量子態的位置也與使用最先進的量子力學方法的模型計算非常吻合。

這種方法的首次演示為測量HCI中的躍遷能量開辟瞭令人興奮的可能性,這些躍遷能很難用常規方法測量。此外,Schüssler及其同事測量的能量變化與進一步的理論計算結果非常吻合。這一一致性表明,該理論可用於預測HCI中的躍遷能,從而促進更多躍遷的發現。

在當前工作中測量的躍遷能量的對應頻率位於可用於時鐘的激光范圍之外。但作者指出,應該有可能使用他們的方法來測量具有更低頻率的適合在不久的將來時鐘的躍遷。

基於HCI躍遷的時鐘特別吸引人,因為它們可以用於嚴格的測試,這些測試足夠靈敏,可以檢測出超出粒子和相互作用標準模型的物理現象,例如基本物理常數的變化和對洛倫茲不變性違反(物理學的基石,是愛因斯坦狹義相對論的數學基礎)。這種時鐘對超輕暗物質的影響也特別敏感。在過去幾年裡,在控制HCI方面取得瞭巨大的進展,為這些應用鋪平瞭道路。由PENTATRAP實現的精密質譜也將有其他有價值的應用,如在能量-質量等效原理的測試、中微子粒子質量上限的實驗測定、以及關於量子電動力學的測試。

參考來源:

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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