Måling af uendelig lille ændring i masse af individuelle atomer for første gang

En ny dør til kvanteverdenen er blevet åbnet:Når et atom absorberer eller frigiver energi via kvantespring af en elektron, den bliver tungere eller lettere. Dette kan forklares ved Einsteins relativitetsteori (E =mc ² ). Imidlertid, effekten er lille for et enkelt atom. Alligevel, teamet af Klaus Blaum og Sergey Eliseev ved Max Planck Institute for Nuclear Physics har med succes målt denne uendelige ændring i massen af ​​individuelle atomer for første gang. For at opnå dette, de brugte den ultrapræcise Pentatrap-atombalance på instituttet i Heidelberg. Teamet opdagede en tidligere uobserveret kvantetilstand i rhenium, hvilket kunne være interessant for fremtidige atomure. Først og fremmest, denne ekstremt følsomme atombalance muliggør en bedre forståelse af tunge atoms komplekse kvanteverden.

Forbavsende, men sandt:Hvis du vikler et mekanisk ur, det bliver tungere. Det samme sker, når du oplader din smartphone. Dette kan forklares ved ækvivalensen af ​​energi (E) og masse (m), som Einstein udtrykte i den mest berømte formel i fysik:E =mc ² (c:lysets hastighed i vakuum). Imidlertid, denne effekt er så lille, at den helt undgår vores hverdag. En konventionel balance ville ikke være i stand til at opdage den.

Men på Max Planck Institute for Nuclear Physics i Heidelberg, der er en balance, der kan:Pentatrap. Det kan måle den lille ændring i masse af et enkelt atom, når en elektron absorberer eller frigiver energi via et kvantehopp, dermed åbner en ny verden for præcisionsfysik. Sådanne kvantespring i atomernes elektronskaller former vores verden-hvad enten det drejer sig om livgivende fotosyntese og generelle kemiske reaktioner eller i skabelsen af ​​farve og vores vision.

En myre oven på en elefant

Rima Schüssler, nu postdoktor ved Max Planck Institute for Nuclear Physics, har været med til at opbygge Pentatrap, siden hun afsluttede sin kandidatafhandling i 2014. Hun er hovedforfatter til et papir om en uventet opdagelse foretaget i et samarbejde på Max Planck PTB Riken Center:In rhenium, der er en tidligere uopdaget elektronisk kvantetilstand med særlige egenskaber. Schüssler bruger følgende analogi til at beskrive graden af ​​følsomhed, hvormed Pentatrap kan detektere et elektrones spring i denne kvantetilstand via masseændringen af ​​et rheniumatom:"Ved vejning af en seks tons elefant, vi var i stand til at afgøre, om en ti-milligram myre kravlede på den. "

Pentatrap består af fem Penning -fælder. For at en sådan fælde kan veje et atom, det skal være elektrisk ladet (dvs. blive til en ion). Fordi rhenium blev frataget 29 af sine 75 elektroner, det er stærkt opladet. Dette øger målingens nøjagtighed dramatisk. Fælden fanger denne højtladede rheniumion i en kombination af et magnetfelt og et specielt formet elektrisk felt. Inde, den bevæger sig på en cirkulær vej, som er indviklet snoet i sig selv. I princippet, det kan betragtes som en bold på et reb, som får lov til at rotere i luften. Hvis dette gøres med konstant kraft, en tungere kugle roterer langsommere end en lettere.

En ekstremt lang levetidskvantetilstand i rhenium

I Pentatrap, to rheniumioner roterede skiftevis i de stablede fælder. En ion var i den energisk laveste kvantetilstand. Da den anden ion blev genereret, en elektron blev tilfældigt ophidset til en højere tilstand ved at levere energi. I en vis forstand, det var sårvagten. På grund af den lagrede energi, den blev marginalt tungere og cirkulerede dermed langsommere end den første ion. Pentatrap tæller præcist antallet af omdrejninger pr. Tidsenhed. Forskellen i antallet af omdrejninger gav stigningen i vægten.

Ved hjælp af denne metode, holdet opdagede en ekstremt langtidslevende kvantetilstand i rhenium. Det er metastabilt (dvs. det henfalder efter et bestemt levetid). Ifølge beregningerne af teoretikere fra instituttet ledet af Zoltán Harman og Christoph H.Keitel, universitetet i Heidelberg, og Kastler Brossel -laboratoriet i Paris, dette er 130 dage. Kvantetilstandens position stemmer også ganske godt overens med modelberegninger ved hjælp af state-of-the-art kvantemekaniske metoder.

Mulig anvendelse i fremtidige atomure

Sådanne ophidsede elektroniske tilstande i stærkt ladede ioner er interessante for grundforskning såvel som for mulig anvendelse i fremtidige atomure som forsket af arbejdsgruppen for José Crespo López-Urrutia ved instituttet i samarbejde med Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). For dem, den metastabile tilstand i rhenium er attraktiv af flere årsager. Først, på grund af dens levetid, det svarer til en skarp orbitalfrekvens for elektronen omkring atomkernen. Sekund, elektronen kan ophidses med blødt røntgenlys for at hoppe ind i denne kvantetilstand. I princippet, et sådant ur kunne tikke hurtigere og derfor endnu mere præcist end den nuværende generation af optiske atomure. Imidlertid, ifølge Ekkehard Peik, som har ansvaret for Time and Frequency Department på PTB, og som ikke var involveret i arbejdet, det er stadig for tidligt at spekulere i, om opdagelsen kunne være egnet til en ny generation af atomure.

"Alligevel, denne nye metode til at opdage langlivede kvantetilstande er spektakulær, "siger fysikeren. Han forestiller sig, at atomure, der arbejder med sådanne nye kvantetilstande, i første omgang kunne tilbyde et nyt testfelt til grundforskning. Fordi rheniumionerne mangler mange elektroner, der beskytter hinanden mod hinanden, de resterende elektroner mærker atomkernens elektriske felt særlig stærkt. Elektronerne kører derfor rundt om kernen med så høje hastigheder, at deres bevægelse skal beskrives ved hjælp af Einsteins teori om særlig relativitet. Med den nye atombalance, det ville også være muligt at teste med høj præcision, om særlig relativitetsteori og kvanteteori interagerer som beskrevet af denne teori.

Generelt, den nye atombalance giver en ny adgang til det kvantelignende indre liv for tungere atomer. Fordi disse består af mange partikler - elektroner, protoner, og neutroner - de kan ikke beregnes nøjagtigt. Atommodellerne til teoretiske beregninger er derfor baseret på forenklinger, og disse kan nu kontrolleres ekstremt præcist. Det kan være muligt at bruge sådanne atomer som prober i søgen efter ukendte partikler, som kun kan detekteres af den ekstremt svage tyngdekraft. Dette mørke stof er et af de største uløste mysterier i fysikken.

På vej til ny fysik

Et vigtigt skridt i retning af adgang til ny fysik med atomfysiske metoder blev også opnået med Pentatrap [Phys. Lett. 124, 113001]. Heidelberg -forskerne udførte massemålinger på en kæde af fem par xenon -isotoper. Brug af højopløselig laserspektroskopi på lignende kæder af andre elementer, såsom calcium og ytterbium, et lineært forhold kan udledes af de små energiforskelle (isotopskift). Ikke -lineære afvigelser fra dette kan, imidlertid, være en indikation på ny fysik (yderligere fundamentale interaktioner, nye partikler, mørkt stof), som manifesterer sig under ekstremt præcis observation-et alternativ til eksperimenter med høj energi. Også her, tæt samarbejde med teori (gruppe af Zoltan Harman ved MPIK) bør understreges. Den direkte måling af bindingsenergien for en elektron i en stærkt ladet ion viser en meget god overensstemmelse med relativistiske atomstrukturberegninger. Dette skaber grundlaget f.eks. til fremtidige højpræcisionstest af kvanteelektrodynamik.