原子核量子跃迁实现“精确控制”，超大容量核电池开发有望

设计原理与样本。

不论是原子钟、加密通信还是量子计算机，都离不开激光技术对原子壳层电子量子行为的良好控制。《自然》杂志当地时间2月17日发文称，德国马克斯·普朗克核物理研究所Jörg Evers领导的团队首次利用X射线精确控制了原子核的量子跃迁。

与电子系统相比，核量子跃迁是非常极端的——其能量高出数百万倍，并且非常短暂。新研究成果有望加深科学家对量子世界的认识，并促成超精密核时钟和超大容量核电池的开发。

现代物理学最伟大的成就之一在于：科学家对动态量子过程的控制越来越精确。但从原子角度来看，“相干控制”仍然是“肤浅”的。正如论文作者Christoph Keitel所言，原子核本身也是量子系统，其原子核构筑块可以在不同的量子态之间完成量子跃迁。

Keitel说：“量子跃迁的能量通常比电子壳层能量高6个数量级。因此，核元件每进行一次量子跃迁，就需要注入或者释放百万倍的能量。这启发了我们开发超级容量核电池的想法。”

Evers等人使用的技术，原理似乎很简单：使用欧洲同步辐射源（ESRF）提供的高能X射线脉冲逐次照射样品。第一个脉冲（P1）非常短，并且包含了广泛的频率混合，它会激发原子核的量子跃迁。第二个脉冲（P2）则要长得多，并且具有与量子跃迁精确匹配的能量。由此，P2就能操控由P1触发的量子动力学。通过调整P1和P2之间的时间跨度，研究人员能够控制P2对量子态的作用（建设性或破坏性）。

研究人员将这种控制机制类比为钟摆：P1推动钟摆摆动，而P2对应的振荡相位，能调整钟摆振荡的强弱。为了完成这个看似简单的任务，研究人员需要使P2在泽秒级时间尺度上保持稳定延迟。只有这样，P1和P2才能以可控方式协调运作。

研究人员指出，P2会被第一个样品的微小位移所延迟。研究人员Thomas Pfeifer说：“原子核有选择性地在短时间内，存储来自P1的能量。在此期间，样品会快速移动大约0.5个X射线波长。”

研究人员表示，除了ESRF外，自由电子激光器（FELs）最近也被用于提供强大的X射线辐射源，并且其质量与激光类似。这将为新兴的核量子光学领域开辟充满活力的未来。

原创编译：德克斯特 审稿：西莫 责编：陈之涵

期刊来源：《自然》

期刊编号：0028-0836

原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2021/02/210219111319.htm

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