原子核量子躍遷實現“精確控制”，超大容量核電池開發有望

設計原理與樣本。

不論是原子鐘、加密通信還是量子計算機，都離不開激光技術對原子殼層電子量子行爲的良好控制。《自然》雜誌當地時間2月17日發文稱，德國馬克斯·普朗克核物理研究所Jörg Evers領導的團隊首次利用X射線精確控制了原子核的量子躍遷。

與電子系統相比，核量子躍遷是非常極端的——其能量高出數百萬倍，並且非常短暫。新研究成果有望加深科學家對量子世界的認識，並促成超精密核時鐘和超大容量核電池的開發。

現代物理學最偉大的成就之一在於：科學家對動態量子過程的控制越來越精確。但從原子角度來看，“相干控制”仍然是“膚淺”的。正如論文作者Christoph Keitel所言，原子核本身也是量子系統，其原子核構築塊可以在不同的量子態之間完成量子躍遷。

Keitel說：“量子躍遷的能量通常比電子殼層能量高6個數量級。因此，核元件每進行一次量子躍遷，就需要注入或者釋放百萬倍的能量。這啓發了我們開發超級容量核電池的想法。”

Evers等人使用的技術，原理似乎很簡單：使用歐洲同步輻射源（ESRF）提供的高能X射線脈衝逐次照射樣品。第一個脈衝（P1）非常短，並且包含了廣泛的頻率混合，它會激發原子核的量子躍遷。第二個脈衝（P2）則要長得多，並且具有與量子躍遷精確匹配的能量。由此，P2就能操控由P1觸發的量子動力學。通過調整P1和P2之間的時間跨度，研究人員能夠控制P2對量子態的作用（建設性或破壞性）。

研究人員將這種控制機制類比爲鐘擺：P1推動鐘擺擺動，而P2對應的振盪相位，能調整鐘擺振盪的強弱。爲了完成這個看似簡單的任務，研究人員需要使P2在澤秒級時間尺度上保持穩定延遲。只有這樣，P1和P2才能以可控方式協調運作。

研究人員指出，P2會被第一個樣品的微小位移所延遲。研究人員Thomas Pfeifer說：“原子核有選擇性地在短時間內，存儲來自P1的能量。在此期間，樣品會快速移動大約0.5個X射線波長。”

研究人員表示，除了ESRF外，自由電子激光器（FELs）最近也被用於提供強大的X射線輻射源，並且其質量與激光類似。這將爲新興的核量子光學領域開闢充滿活力的未來。

原創編譯：德克斯特 審稿：西莫 責編：陳之涵

期刊來源：《自然》

期刊編號：0028-0836

原文鏈接：https://www.sciencedaily.com/releases/2021/02/210219111319.htm

版權聲明：本文爲原創編譯，中文內容僅供參考，一切內容以英文原版爲準。轉載請註明來源。