這項研究的核心是同位素Th-229的獨特性質(zhì)。與大多數(shù)原子核不同，它具有一種長壽命、低能量的激發(fā)態(tài)。這個特殊的異構(gòu)體，記為Th-229m，距離基態(tài)僅 8.4 電子伏特。這個微小的能量差落入了真空紫外光譜范圍，使其可以利用專門設(shè)計的激光進(jìn)行操縱。
德國計量研究所和維也納理工大學(xué)的研究人員合作取得了突破性進(jìn)展，成功地實現(xiàn)了Th-229核的靶向激發(fā)。他們的策略是將Th-229原子摻入氟化鈣 (CaF2) 晶體中。通過精心調(diào)整激光系統(tǒng)，他們能夠發(fā)出能量與Th-229m異構(gòu)體激發(fā)能完全匹配的光脈沖。這種共振相互作用觸發(fā)了預(yù)期的躍遷，促使Th-229核從基態(tài)躍遷到激發(fā)異構(gòu)體狀態(tài)。
實驗的成功通過檢測到一個明顯的特征——共振熒光得到了證實。當(dāng)激發(fā)態(tài)的Th-229m核衰變回基態(tài)時，它們會發(fā)出特定波長的光子，為激光誘導(dǎo)激發(fā)提供了確鑿的證據(jù)。值得注意的是，這種熒光信號僅在摻雜了 Th-229 的晶體中觀察到，而在使用更常見的 Th-232 同位素的控制實驗中則沒有觀察到，這證實了該技術(shù)的靶向性。
這項研究具有深遠(yuǎn)的影響。首先，它為開發(fā)基于Th-229m 異構(gòu)體的全新類型核鐘鋪平了道路。原子鐘是目前時間測量的金標(biāo)準(zhǔn)，利用電子的自然躍遷頻率來保持極其精確的時間測量。而Th-229m 具有極其長壽命的激發(fā)態(tài)(持續(xù)約 34.4 納秒)，有望創(chuàng)造出具有無與倫比的穩(wěn)定性和精度的核鐘。
其次，這一成就為超靈敏量子傳感應(yīng)用打開了大門。利用激光操縱核狀態(tài)的能力，為探測核的基本性質(zhì)提供了強(qiáng)大的工具。這種新發(fā)現(xiàn)的能力有可能徹底改變我們對核結(jié)構(gòu)的理解，并可能導(dǎo)致與強(qiáng)核力和元素起源相關(guān)的發(fā)現(xiàn)。
此外，使用激光技術(shù)精確測量 Th-229m 激發(fā)能為更嚴(yán)格的基礎(chǔ)常數(shù)組測試奠定了基礎(chǔ)。這些常數(shù)，如精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)，被認(rèn)為在整個宇宙中都是恒定的。然而，一些理論模型預(yù)測了隨時間或空間發(fā)生的細(xì)微變化。通過使用 Th-229m 作為基準(zhǔn)，科學(xué)家可以進(jìn)行高精度測量來搜索這些基本常數(shù)的任何潛在變化，進(jìn)一步了解宇宙的物理規(guī)律。
總而言之，Th-229 核的激光激發(fā)代表了核物理領(lǐng)域的重要飛躍。這項開創(chuàng)性的研究有可能徹底改變時間測量，完善我們對原子核的理解，并揭示宇宙的基本常數(shù)。
