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德國達姆施塔特工業大學亥姆霍茲重離子研究中心牽頭，聯合明斯特大學、耶拿大學等機構的科學家，在量子物理領域取得重要進展。他們成功制造并分離出一種特殊的“類氫離子”——鉍-208，并對其電子躍遷能量進行了極高精度的測量和理論驗證。這項研究有助探索極端磁場下的量子現象，也為未來研究其他奇特原子提供了新方法。相關成果發表在最新一期《自然·物理》雜志上。
所謂“類氫離子”，是指只有一個電子圍繞原子核旋轉的離子。這種結構與氫原子類似，但原子核更重、電場更強。以鉍元素為例，正常情況下它有83個電子，而研究人員通過特殊手段把其中82個都剝離掉，只留下一個電子，形成“類氫鉍離子”。
由于鉍的原子核電荷很高，剩下的那個電子會被牢牢地吸引在原子核附近，處于極強的電磁場中。在這種極端環境下，電子的行為可用量子電動力學來描述和預測。量子電動力學是解釋帶電粒子與光相互作用的量子理論，通常用于高精度計算。
此前，科學家已對穩定的鉍同位素——鉍-209進行了類似實驗，并驗證了理論預測的準確性。然而，關于原子核結構是否會對這些高精度計算產生影響，仍有疑問。為了進一步驗證理論的普適性，研究團隊選擇了另一種同位素——鉍-208進行測試。這種同位素比鉍-209少一個中子，具有不同的核結構。
實驗中，研究人員通過核反應從鉍-209中“敲出”一個中子，生成了鉍-208。隨后，他們在實驗儲存環中將這一同位素完全電離，制成“類氫離子”。這些離子以接近光速的72%高速運動，并在特定條件下被激光照射激發。
當激光的能量恰到好處時，電子的自旋方向會發生翻轉。隨后，電子會釋放出光子信號，這些微弱的光信號被高靈敏度探測器捕捉并記錄，從而測得電子躍遷所需的精確能量值。
此次實驗結果與基于量子電動力學的理論預測高度一致，且測量精度比以往提高了約10倍。這不僅驗證了理論模型的準確性，也展示了激光光譜技術在研究奇異原子中的巨大潛力。
來源：科技日報
