精密测量技术将跃进，科学家成功用雷射改变钍-229原子核状态

多年来，物理学家一直在等待这一刻到来：以雷射光束使钍原子核转移至更高能量状态，有望带来革命性技术应用，比如建造能比当今最好原子钟更精确测量时间的原子核钟。

用雷射操纵原子或分子已是当今很常见的技术，如果雷射波长恰到好处，原子或分子就可以从一种状态切换到另一种状态，透过这种方式得以精确测量原子或分子能量。

许多精密测量技术都是基于此原理，比如原子钟、化学分析方法等，而雷射也经常用于量子电脑，用于将资讯储存在原子或分子中。

但将这些技术应用于原子核似乎是“不可能的事情”。

对科学家来说，原子核是可以比原子、分子更精确测量的完美量子物体，因为前者更不容易受到外界干扰。但原子核虽然能在不同量子态之间切换，但要使原子核从一种状态转变为另一种状态需要更多能量——至少是原子或分子中电子能量1,000倍，而光子能量不够撼动原子核，这也是为什么通常无法以雷射光操纵原子核。

不过1970年代以来，物理学家猜测可能存在一种与其他不同的特殊原子核：钍-229，它具有2个非常接近的能态，原则上应能以雷射改变原子核状态，只是长期以来只有间接证据显出这种转变。

维也纳工业大学ThorstenSchumm团队表示，困难之处在于必须精确知道跃迁能量，才能用雷射光束引发跃迁，这就像试图找到埋在巨大岛屿里的小宝箱。

过去一些团队尝试将钍原子核独自固定在电磁陷阱研究，但ThorstenSchumm团队选择了完全不同的技术：他们开发掺入大量钍原子的晶体，再以雷射同时击中约10^17次方的钍原子核，由于大量钍原子核放大效应，缩短所需测量时间，也增加实际发现能量跃迁的机率。

2023年11月21日，团队终于成功拿到钍原子核跃迁正确能量的清晰讯号，证明雷射光束改变钍原子核状态。

这项结果令人相当振奋，团队不只知道了如何激发钍原子核状态，未来其他科学家也能依此开发比原子钟更精准测量时间的核钟、对地球重力场进行精确分析以寻找矿产资源或地震线索，还能回答物理学基本问题，比如：自然常数真的是恒定吗？它是否会随空间与时间产生微小变化？

新论文发表在《物理评论快报》（PhysicalReviewLetters）。