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科技工作者之家 2021-02-22
不论是原子钟、加密通信还是量子计算机,都离不开激光技术对原子壳层电子量子行为的良好控制。《自然》杂志当地时间2月17日发文称,德国马克斯•普朗克核物理研究所Jörg Evers领导的团队首次利用X射线精确控制了原子核的量子跃迁。
与电子系统相比,核量子跃迁是非常极端的——其能量高出数百万倍,并且非常短暂。新研究成果有望加深科学家对量子世界的认识,并促成超精密核时钟和超大容量核电池的开发。
现代物理学最伟大的成就之一在于:科学家对动态量子过程的控制越来越精确。但从原子角度来看,“相干控制”仍然是“肤浅”的。正如论文作者Christoph Keitel所言,原子核本身也是量子系统,其原子核构筑块可以在不同的量子态之间完成量子跃迁。
Keitel说:“量子跃迁的能量通常比电子壳层能量高6个数量级。因此,核元件每进行一次量子跃迁,就需要注入或者释放百万倍的能量。这启发了我们开发超级容量核电池的想法。”
Evers等人使用的技术,原理似乎很简单:使用欧洲同步辐射源(ESRF)提供的高能X射线脉冲逐次照射样品。第一个脉冲(P1)非常短,并且包含了广泛的频率混合,它会激发原子核的量子跃迁。第二个脉冲(P2)则要长得多,并且具有与量子跃迁精确匹配的能量。由此,P2就能操控由P1触发的量子动力学。通过调整P1和P2之间的时间跨度,研究人员能够控制P2对量子态的作用(建设性或破坏性)。
研究人员将这种控制机制类比为钟摆:P1推动钟摆摆动,而P2对应的振荡相位,能调整钟摆振荡的强弱。为了完成这个看似简单的任务,研究人员需要使P2在泽秒级时间尺度上保持稳定延迟。只有这样,P1和P2才能以可控方式协调运作。
研究人员指出,P2会被第一个样品的微小位移所延迟。研究人员Thomas Pfeifer说:“原子核有选择性地在短时间内,存储来自P1的能量。在此期间,样品会快速移动大约0.5个X射线波长。”
研究人员表示,除了ESRF外,自由电子激光器(FELs)最近也被用于提供强大的X射线辐射源,并且其质量与激光类似。这将为新兴的核量子光学领域开辟充满活力的未来。
科界原创
编译:德克斯特
审稿:西莫
责编:陈之涵
期刊来源:《自然》
期刊编号:0028-0836
原文链接:
https://www.sciencedaily.com/releases/2021/02/210219111319.htm
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