2026年,德國(guó)物理技術(shù)研究院(PTB)的科學(xué)家做了一件事:他們把一個(gè)離子關(guān)進(jìn)"籠子"里,然后用激光和微波對(duì)它狂轟濫炸。

結(jié)果,他們看到了原子核的真面目。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。研究團(tuán)隊(duì)來(lái)自PTB、布倫瑞克工業(yè)大學(xué)和特拉華大學(xué)。他們用一種全新的光譜方法,揭示了一個(gè)復(fù)雜離子的核結(jié)構(gòu),推翻了我們對(duì)原子核的簡(jiǎn)化認(rèn)知。

原子核不是一個(gè)點(diǎn)。它有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu),它的磁場(chǎng)分布在一個(gè)有限的體積內(nèi),而不是像教科書(shū)里畫(huà)的那樣,是一個(gè)簡(jiǎn)單的磁偶極子。

173Yb+:一個(gè)復(fù)雜得讓人頭疼的離子

不同的原子和離子,都有自己獨(dú)特的能級(jí)結(jié)構(gòu)。就像指紋一樣,每種原子都不一樣。

173Yb+(鐿-173離子)是其中特別復(fù)雜的一個(gè)。它的能級(jí)結(jié)構(gòu)異常豐富,這讓它在量子技術(shù)和"新物理學(xué)"研究中很有前景。但也正是因?yàn)樘珡?fù)雜,科學(xué)家一直很難對(duì)它進(jìn)行詳細(xì)研究。

就像一個(gè)密碼鎖,密碼位數(shù)太多,反而不好破解。

PTB的團(tuán)隊(duì)決定硬啃這塊骨頭。他們的策略是:抓住一個(gè)單獨(dú)的173Yb+離子,把它困在離子阱里,然后開(kāi)發(fā)新的方法來(lái)準(zhǔn)備和檢測(cè)它的能量狀態(tài)。

聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)單,做起來(lái)難如登天。

離子阱是一種用電磁場(chǎng)把帶電粒子懸浮在真空中的裝置。想象一下,你要用無(wú)形的力場(chǎng)抓住一個(gè)比頭發(fā)絲還細(xì)幾百萬(wàn)倍的粒子,然后保持它不動(dòng),還要對(duì)它進(jìn)行精密測(cè)量。

這就是現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)的日常。

電子:一個(gè)天然的放大鏡

抓住離子之后,研究團(tuán)隊(duì)用高分辨率激光和微波光譜技術(shù)對(duì)它進(jìn)行"拷問(wèn)"。

他們特別關(guān)注一種叫做"超精細(xì)結(jié)構(gòu)"的能量偏移。這種偏移來(lái)自原子核和周圍電子之間的相互作用。

這里有個(gè)巧妙的地方。

原子核非常小,直徑只有10?1?米左右,比原子小10萬(wàn)倍。要直接觀測(cè)原子核的結(jié)構(gòu),幾乎不可能。但是,原子核周圍有電子云,而電子云會(huì)感受到原子核的影響。

電子就像一個(gè)天然的放大鏡。通過(guò)精密測(cè)量電子的能級(jí)變化,可以間接推斷出原子核的結(jié)構(gòu)。

"我們的測(cè)量表明,即使是原子核非常微妙的性質(zhì),也可以通過(guò)周圍的電子云來(lái)獲取,"PTB的江健博士解釋說(shuō),"這不僅能讓我們更好地理解這個(gè)特定的原子核,也為未來(lái)使用像173Yb+這樣的復(fù)雜離子制造高精度原子鐘、測(cè)試基礎(chǔ)物理學(xué)提供了重要的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。"

原子核不是點(diǎn),而是有"身材"

傳統(tǒng)上,我們把原子核想象成一個(gè)帶電的點(diǎn)狀粒子。就像物理課本上畫(huà)的那樣,一個(gè)小圓點(diǎn),周圍是電子軌道。

但現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)比這個(gè)復(fù)雜。

原子核實(shí)際上有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。它由質(zhì)子和中子組成,這些粒子又由夸克組成。原子核的磁場(chǎng)不是簡(jiǎn)單的磁偶極子(就像一個(gè)小磁鐵),而是分布在一個(gè)有限的體積內(nèi),形狀可能很復(fù)雜。

PTB團(tuán)隊(duì)的測(cè)量,結(jié)合第一性原理理論計(jì)算,揭示了173Yb+離子原子核的磁場(chǎng)分布情況。

特別聰明的是,他們還測(cè)量了171Yb+同位素作為對(duì)比。171Yb+和173Yb+的電子殼層完全一樣,但原子核結(jié)構(gòu)不同。通過(guò)對(duì)比兩者的超精細(xì)結(jié)構(gòu),可以更清楚地分離出原子核本身的貢獻(xiàn)。

就像做對(duì)照實(shí)驗(yàn),一個(gè)變量不同,其他都相同,這樣才能準(zhǔn)確找出差異的原因。

結(jié)果表明,原子核的磁場(chǎng)確實(shí)分布在一個(gè)有限的體積內(nèi),而不是集中在一個(gè)點(diǎn)上。

從基礎(chǔ)研究到量子技術(shù)

這個(gè)發(fā)現(xiàn)聽(tīng)起來(lái)很學(xué)術(shù),但意義重大。

首先,它讓我們對(duì)原子核有了更深入的理解。原子核是物質(zhì)的基本組成部分,理解它的結(jié)構(gòu),就是理解物質(zhì)本身。

其次,它為精密測(cè)量打開(kāi)了新的大門。

像173Yb+這樣的復(fù)雜離子,正是因?yàn)槟芗?jí)結(jié)構(gòu)豐富,所以對(duì)外界擾動(dòng)特別敏感。這種敏感性既是挑戰(zhàn),也是機(jī)遇。如果能精確控制和測(cè)量這些能級(jí),就可以制造出極其精密的原子鐘,甚至用來(lái)探測(cè)"新物理學(xué)"——那些超出標(biāo)準(zhǔn)模型的未知物理現(xiàn)象。

比如,精密的原子鐘可以用來(lái)探測(cè)暗物質(zhì),測(cè)試廣義相對(duì)論,甚至尋找基本物理常數(shù)是否隨時(shí)間變化。

但前提是,我們必須完全理解這些離子的能級(jí)結(jié)構(gòu),包括原子核的貢獻(xiàn)。PTB團(tuán)隊(duì)的工作,正是在為這些未來(lái)應(yīng)用打基礎(chǔ)。

光譜學(xué):物理學(xué)的手術(shù)刀

這項(xiàng)研究的核心技術(shù)是高分辨率光譜學(xué)。

光譜學(xué)是什么?簡(jiǎn)單說(shuō),就是用光(包括激光、微波等各種電磁波)照射物質(zhì),看它吸收或發(fā)射什么頻率的光。不同的能級(jí)躍遷,對(duì)應(yīng)不同的光頻率。通過(guò)測(cè)量這些頻率,可以精確確定能級(jí)結(jié)構(gòu)。

這就像用聲音來(lái)"看"物體。你敲一個(gè)鐘,它會(huì)發(fā)出特定頻率的聲音。通過(guò)分析聲音,你可以知道鐘的材質(zhì)、形狀、大小。

光譜學(xué)就是用光來(lái)"敲"原子,聽(tīng)它發(fā)出什么"聲音"。

PTB團(tuán)隊(duì)用的是高分辨率激光和微波光譜。激光用來(lái)激發(fā)電子躍遷,微波用來(lái)探測(cè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)。通過(guò)極其精密的頻率測(cè)量,他們把173Yb+離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)測(cè)得清清楚楚。

這種精度有多高?他們測(cè)量的頻率精度達(dá)到了千赫茲級(jí)別,相當(dāng)于在幾百太赫茲的頻率上做到了十億分之一的精度。

這就像在地球和月球之間測(cè)量距離,精度達(dá)到毫米級(jí)。

單個(gè)離子的"體檢報(bào)告"

想象一下,你去醫(yī)院做體檢,醫(yī)生給你拍了CT、做了核磁共振、抽了血、測(cè)了心電圖,最后給你一份詳細(xì)的報(bào)告,告訴你身體每個(gè)部位的狀態(tài)。

PTB團(tuán)隊(duì)對(duì)173Yb+離子做的,就是類似的事情。

他們把單個(gè)離子困在離子阱里,用激光"照射"它,用微波"掃描"它,測(cè)量它的能級(jí),分析它的超精細(xì)結(jié)構(gòu),最后給出一份詳細(xì)的"體檢報(bào)告":原子核的磁場(chǎng)分布、電子-核相互作用的強(qiáng)度、能級(jí)的精確位置。

這份報(bào)告不僅告訴我們這個(gè)離子本身的性質(zhì),還為理論物理學(xué)家提供了檢驗(yàn)理論的精確數(shù)據(jù)。

理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的對(duì)比,是物理學(xué)進(jìn)步的核心驅(qū)動(dòng)力。只有當(dāng)理論能精確預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,我們才能說(shuō)真正理解了這個(gè)現(xiàn)象。

下一步:更復(fù)雜的離子,更精密的測(cè)量

PTB團(tuán)隊(duì)的工作只是開(kāi)始。

173Yb+離子雖然復(fù)雜,但宇宙中還有更多復(fù)雜的離子等待探索。每一種離子都有自己獨(dú)特的能級(jí)結(jié)構(gòu),都可能隱藏著關(guān)于原子核、關(guān)于基本物理的新信息。

而測(cè)量技術(shù)也在不斷進(jìn)步。更高分辨率的激光,更靈敏的探測(cè)器,更強(qiáng)大的理論計(jì)算能力,都會(huì)讓我們看得更清楚,測(cè)得更準(zhǔn)確。

"這不僅讓我們更好地理解這個(gè)特定的原子核,也為未來(lái)使用復(fù)雜離子進(jìn)行高精度時(shí)鐘和基礎(chǔ)物理測(cè)試提供了重要的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),"江健博士說(shuō)。

原子鐘已經(jīng)精確到了10?1?的相對(duì)不確定度,也就是說(shuō),運(yùn)行100億年才會(huì)有1秒的誤差。而下一代原子鐘,可能會(huì)達(dá)到10?1?甚至更高的精度。

到那時(shí),我們就可以用原子鐘來(lái)探測(cè)引力波的微弱影響,測(cè)試廣義相對(duì)論在極端精度下是否成立,甚至尋找暗物質(zhì)粒子留下的痕跡。

而這一切,都始于對(duì)單個(gè)離子的精密測(cè)量。

從一個(gè)離子到整個(gè)宇宙

物理學(xué)的魅力在于,從最小的粒子,可以理解最大的宇宙。

一個(gè)離子,一個(gè)原子核,看起來(lái)微不足道。但它遵循的物理定律,和整個(gè)宇宙遵循的是同一套。

通過(guò)研究173Yb+離子,我們不僅在理解這個(gè)特定的原子核,我們也在理解物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu),理解量子力學(xué),理解電磁相互作用,理解時(shí)空本身。

德國(guó)物理技術(shù)研究院的實(shí)驗(yàn)室里,一個(gè)被困在離子阱中的單個(gè)離子,正在幫助我們理解宇宙。

而這,就是物理學(xué)的浪漫。

參考

J. Jiang et al, High-Resolution Spectroscopy of 173Yb+ Ions, Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/rcdh-s4d7