精密測量技術將躍進，科學家成功用雷射改變釷-229 原子核狀態
多年來，物理學家一直在等待這一刻到來：以雷射光束使釷原子核轉移至更高能量狀態，有望帶來革命性技術應用，比如建造能比當今最好原子鐘更精確測量時間的原子核鐘。
用雷射操縱原子或分子已是當今很常見的技術，如果雷射波長恰到好處，原子或分子就可以從一種狀態切換到另一種狀態，透過這種方式得以精確測量原子或分子能量。
許多精密測量技術都是基於此原理，比如原子鐘、化學分析方法等，而雷射也經常用於量子電腦，用於將資訊儲存在原子或分子中。
但將這些技術應用於原子核似乎是「不可能的事情」。
對科學家來說，原子核是可以比原子、分子更精確測量的完美量子物體，因為前者更不容易受到外界干擾。但原子核雖然能在不同量子態之間切換，但要使原子核從一種狀態轉變為另一種狀態需要更多能量——至少是原子或分子中電子能量 1,000 倍，而光子能量不夠撼動原子核，這也是為什麼通常無法以雷射光操縱原子核。
釷核躍遷正確能量
不過 1970 年代以來，物理學家猜測可能存在一種與其他不同的特殊原子核：釷-229，它具有 2 個非常接近的能態，原則上應能以雷射改變原子核狀態，只是長期以來只有間接證據顯出這種轉變。
維也納工業大學 Thorsten Schumm 團隊表示，困難之處在於必須精確知道躍遷能量，才能用雷射光束引發躍遷，這就像試圖找到埋在巨大島嶼裡的小寶箱。
過去一些團隊嘗試將釷原子核獨自固定在電磁陷阱研究，但 Thorsten Schumm 團隊選擇了完全不同的技術：他們開發摻入大量釷原子的晶體，再以雷射同時擊中約 10^17 次方的釷原子核，由於大量釷原子核放大效應，縮短所需測量時間，也增加實際發現能量躍遷的機率。
2023 年 11 月 21 日，團隊終於成功拿到釷原子核躍遷正確能量的清晰訊號，證明雷射光束改變釷原子核狀態。
這項結果令人相當振奮，團隊不只知道了如何激發釷原子核狀態，未來其他科學家也能依此開發比原子鐘更精準測量時間的核鐘、對地球重力場進行精確分析以尋找礦產資源或地震線索，還能回答物理學基本問題，比如：自然常數真的是恆定嗎？它是否會隨空間與時間產生微小變化？
新論文發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）。
（首圖來源：維也納工業大學）