原子鐘利用原子中電子能級(jí)之間的躍遷作為計(jì)時(shí)原理的參考，是世界上最精確的時(shí)鐘，在整個(gè)宇宙的生命周期中不會(huì)偏差一秒，這意味著它們可以用于超精密測(cè)量，以探測(cè)現(xiàn)代物理學(xué)的一些基本假設(shè)。建立一個(gè)時(shí)鐘需要一個(gè)周期性事件，利用其頻率作為計(jì)時(shí)的參考，而原子中的電子躍遷是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的完美自然振蕩器，這必須將一個(gè)超穩(wěn)定的激光調(diào)諧到原子躍遷的精確頻率來(lái)驅(qū)動(dòng)振蕩，就像調(diào)諧一個(gè)樂(lè)器以產(chǎn)生正確的音調(diào)一樣。
任何原子的躍遷都可以用嗎？不，合適的躍遷很難實(shí)現(xiàn)。最好的躍遷是從原子的最低能態(tài)（基態(tài)）開(kāi)始，并且必須以長(zhǎng)壽命（亞穩(wěn)態(tài)）激發(fā)態(tài)結(jié)束，激發(fā)躍遷所需的能量也必須在臺(tái)式激光技術(shù)的范圍內(nèi)。此外，原子必須被束縛在陷阱中，使得它們的運(yùn)動(dòng)幾乎被完全凍結(jié)，換句話(huà)說(shuō)，原子鐘的運(yùn)行需要精確地操縱量子系統(tǒng)。因此，目前可用的時(shí)鐘使用的躍遷要么是在電中性原子中的，要么是在由從原子中除去一個(gè)電子而產(chǎn)生的離子中的，因?yàn)檫@些體系最適合精確的量子控制。
在原子鐘研究中，基于高電荷離子（HCI；許多電子從中被移除的原子）的時(shí)鐘預(yù)計(jì)具有更高的靈敏度。HCI的研究已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，使用這種離子制作時(shí)鐘所需的所有技術(shù)在今年得到了證實(shí)。然而，由于難以使用傳統(tǒng)的原子光譜技術(shù)來(lái)識(shí)別和測(cè)量適合在時(shí)鐘中使用的躍遷，這一進(jìn)展受到了阻礙：根據(jù)定義，這種躍遷的特征意味著它們非常微弱（發(fā)生躍遷的概率很?。?/p>
馬克斯普朗克核物理研究所的Eliseev和 Schüssler團(tuán)隊(duì)使用了一種完全不同且巧妙的方法來(lái)測(cè)量在高電荷錸離子（Re29+）中的弱躍遷過(guò)程產(chǎn)生的能量變化：他們通過(guò)愛(ài)因斯坦著名的能量-質(zhì)量等效原理（E?=?mc2）將質(zhì)量測(cè)量轉(zhuǎn)化為能量測(cè)量，利用超精密PENTATRAP原子天平首次成功地測(cè)量了單個(gè)原子質(zhì)量的這種微小變化。通過(guò)測(cè)量錸中基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間的質(zhì)量差來(lái)觀(guān)察HCI中的長(zhǎng)壽命亞穩(wěn)電子態(tài)，提供了對(duì)電子激發(fā)能的非破壞性直接測(cè)定，得到的結(jié)果與進(jìn)一步的計(jì)算結(jié)果一致。測(cè)得的離子基態(tài)與亞穩(wěn)態(tài)的回旋加速頻率比精度為10-11，比以前的測(cè)量提高了10倍。研究小組在錸中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)以前未被觀(guān)測(cè)到的量子態(tài)，這可能對(duì)未來(lái)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(fù)雜量子世界。相關(guān)研究以“Detection of metastable electronic states by Penning trap mass spectrometry”問(wèn)題發(fā)表在Nature上。
研究者的基本思想是在彭寧阱中束縛單個(gè)離子，這是一種利用磁場(chǎng)和電場(chǎng)限制帶電粒子的裝置。彭寧阱中離子的質(zhì)量可以通過(guò)測(cè)量離子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)頻率（回旋加速頻率）來(lái)確定。原子或離子的結(jié)合能——將原子分解成自由電子和原子核所需的能量——在激發(fā)亞穩(wěn)態(tài)下與基態(tài)不同。因此質(zhì)量也會(huì)改變，進(jìn)而改變回旋加速頻率。
在他們的實(shí)驗(yàn)中，Schüssler等測(cè)量了Re29+在基態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)下回旋加速頻率的比值（R）。由于Re29+中兩種狀態(tài)的能量之差與離子的總能量相比非常小，因此測(cè)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(cè)量了R。Schüssler用下面的類(lèi)比來(lái)描述通過(guò)錸原子的質(zhì)量變化探測(cè)電子躍遷到這個(gè)量子態(tài)的靈敏度：“通過(guò)稱(chēng)一頭6噸重的大象，我們能夠確定一只10毫克重的螞蟻是否在上面爬行。”
PENTATRAP由一疊五個(gè)冷卻到4K的彭寧阱組成（圖1）。阱2和3用來(lái)測(cè)量回旋加速頻率，而阱1和4用來(lái)存儲(chǔ)離子。目前的實(shí)驗(yàn)中并沒(méi)有使用阱5，但將來(lái)可以用來(lái)監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)和其他實(shí)驗(yàn)變量的波動(dòng)。
作者將三種離子裝入深阱中，使阱2和阱4中的離子處于相同的狀態(tài)（亞穩(wěn)態(tài)或基態(tài)），阱3中的離子處于另外的狀態(tài)。首先，他們同時(shí)測(cè)量了阱2和阱3中離子的回旋加速頻率。然后他們將三個(gè)離子上移一個(gè)阱，有效地交換阱2和阱3中離子的狀態(tài)（離子的狀態(tài)沒(méi)有改變，只是位置改變；圖1），同時(shí)測(cè)量這些離子的回旋加速頻率。三個(gè)離子再下移一個(gè)阱，這個(gè)序列再次開(kāi)始?？偟膩?lái)說(shuō)，阱2和阱3中的電子態(tài)被反復(fù)交換，并且在每次交換后同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。
該實(shí)驗(yàn)方法結(jié)合PENTATRAP器件的設(shè)計(jì)，抑制了磁場(chǎng)變化對(duì)R的影響，使R的測(cè)定具有較高的精度?；鶓B(tài)和激發(fā)態(tài)之間的能量差可以通過(guò)愛(ài)因斯坦方程利用R和離子質(zhì)量計(jì)算；離子的實(shí)際質(zhì)量只需要10-4的精度。
利用這種方法，研究小組在錸中發(fā)現(xiàn)了一種非常長(zhǎng)壽命的量子態(tài)。它是亞穩(wěn)態(tài)的（即在一定的壽命后會(huì)衰變），壽命的理論計(jì)算結(jié)果為130天。量子態(tài)的位置也與使用最先進(jìn)的量子力學(xué)方法的模型計(jì)算非常吻合。
這種方法的首次演示為測(cè)量HCI中的躍遷能量開(kāi)辟了令人興奮的可能性，這些躍遷能很難用常規(guī)方法測(cè)量。此外，Schüssler及其同事測(cè)量的能量變化與進(jìn)一步的理論計(jì)算結(jié)果非常吻合。這一一致性表明，該理論可用于預(yù)測(cè)HCI中的躍遷能，從而促進(jìn)更多躍遷的發(fā)現(xiàn)。
在當(dāng)前工作中測(cè)量的躍遷能量的對(duì)應(yīng)頻率位于可用于時(shí)鐘的激光范圍之外。但作者指出，應(yīng)該有可能使用他們的方法來(lái)測(cè)量具有更低頻率的適合在不久的將來(lái)時(shí)鐘的躍遷。
基于HCI躍遷的時(shí)鐘特別吸引人，因?yàn)樗鼈兛梢杂糜趪?yán)格的測(cè)試，這些測(cè)試足夠靈敏，可以檢測(cè)出超出粒子和相互作用標(biāo)準(zhǔn)模型的物理現(xiàn)象，例如基本物理常數(shù)的變化和對(duì)洛倫茲不變性違反（物理學(xué)的基石，是愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)）。這種時(shí)鐘對(duì)超輕暗物質(zhì)的影響也特別敏感。在過(guò)去幾年里，在控制HCI方面取得了巨大的進(jìn)展，為這些應(yīng)用鋪平了道路。由PENTATRAP實(shí)現(xiàn)的精密質(zhì)譜也將有其他有價(jià)值的應(yīng)用，如在能量-質(zhì)量等效原理的測(cè)試、中微子粒子質(zhì)量上限的實(shí)驗(yàn)測(cè)定、以及關(guān)于量子電動(dòng)力學(xué)的測(cè)試。
參考來(lái)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
