由德國達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)亥姆霍茲重離子研究中心領(lǐng)導(dǎo)、明斯特大學(xué)和耶拿大學(xué)等機(jī)構(gòu)科學(xué)家參與的團(tuán)隊，通過核反應(yīng)成功生成并分離了鉍-208的類氫離子，同時對其躍遷能量作出了非常精確的預(yù)測和試驗驗證。該研究利用核反應(yīng)產(chǎn)生的原子核，為強(qiáng)磁場量子電動力學(xué)測試奠定了基礎(chǔ)，并證明了激光光譜對其他奇異原子進(jìn)行研究的可行性。相關(guān)成果發(fā)表在新一期《自然·物理》雜志上。

類氫離子，即僅束縛一個電子的原子核。對于質(zhì)子數(shù)較高的重核，強(qiáng)大的靜電引力會將電子束縛在原子核附近，從而將其置于極端磁場中。在那里，電子像指南針一樣，將自身磁場與原子核磁場對齊。通過提供恰到好處的能量，這根指南針可翻轉(zhuǎn)到相反的方向。而所需的能量可以用量子電動力學(xué)——電磁學(xué)的量子理論來計算。

此前，科學(xué)家已證實對穩(wěn)定同位素鉍-209的測量與理論預(yù)測一致。但人們對于原子核結(jié)構(gòu)對理論預(yù)測的影響是否真的能夠消除到假設(shè)的程度仍存在疑問。為了彌補(bǔ)實驗測試中的這個漏洞，研究團(tuán)隊提出測量另一種具有不同核結(jié)構(gòu)的同位素鉍-208，它比穩(wěn)定的同位素鉍-209少一個中子。

團(tuán)隊通過核反應(yīng)，從穩(wěn)定的鉍-209中擊出一個中子，并將該反應(yīng)的碎片收集到實驗儲存環(huán)中。與此同時，為了生成類氫離子，必須將原子中最初的83個電子全部剝離。這些碎片在儲存環(huán)中以約72%的光速旋轉(zhuǎn)。他們識別出了其中的同位素鉍-208的類氫離子，并去除了所有不需要的反應(yīng)產(chǎn)物。

測量原理是通過用能量合適的激光束照射電子來翻轉(zhuǎn)電子的磁場。離子吸收激光束中的光子。光子的能量隨后轉(zhuǎn)移到電子，并用于翻轉(zhuǎn)電子的磁場，使其達(dá)到核磁場中不同的取向狀態(tài)。為了釋放這些能量，電子平均在約半毫秒后翻轉(zhuǎn)回來，發(fā)射出另一個光子。此時，離子已繞儲存環(huán)旋轉(zhuǎn)了數(shù)百圈，這些發(fā)射的光子被儲存環(huán)上一個特別暗點處的靈敏探測器探測到。

幾年前，歐洲核子研究中心啟動了對兩種鉍同位素的中性原子的測量，科學(xué)家估算出其對不同原子核結(jié)構(gòu)的影響。這些信息與之前對穩(wěn)定同位素的類氫離子的測量結(jié)果相結(jié)合，從而對鉍-208的躍遷能量作出了非常精確的預(yù)測。這個值與完整的量子力學(xué)計算一致，但準(zhǔn)確度大約是后者的10倍。在儲存環(huán)上測得并在論文中報告的實驗值，與這個預(yù)測完全一致。