近日，一個(ge) 由馬克斯·普朗克核物理研究所科學家領導的國際科研團隊，成功測量出發生電子躍遷時單個(ge) 原子質量的微小變化。這一新方法使得研發新的、更精確的原子鍾成為(wei) 可能，並為(wei) 更好地認識原子內(nei) 部開辟了全新的途徑。

　　高電荷離子是研發未來原子鍾的理想選擇之一

　　原子鍾在日常生活和科學研究中非常重要。它以原子內(nei) 部的電子在兩(liang) 個(ge) 能級間跳躍時輻射出來的電磁波為(wei) 標準，去控製校準電子振蕩器，實現精準的時間。

　　與(yu) 原子相比，高電荷離子的外層電子與(yu) 原子核的結合更強，對外部場的波動更不敏感，狹義(yi) 相對論和量子電動力學的效應也更顯著。因此，高電荷離子是未來研發更精確原子鍾的理想選擇之一。

　　然而，由於(yu) 內(nei) 部結構複雜，要在高電荷離子中識別適合於(yu) 原子鍾的電子躍遷非常困難，常用的光譜法測量這種躍遷也不夠精確。

　　現在，一個(ge) 由馬克斯·普朗克核物理研究所的克勞斯·布勞姆教授和謝爾蓋·埃利謝耶夫博士領導，包括俄羅斯、法國、日本和澳大利亞(ya) 科學家參與(yu) 的國際科研團隊，利用高精度潘寧阱質譜儀(yi) （Pentatrap），成功測量出錸離子的基態與(yu) 激發態之間極其微小的質量差。根據愛因斯坦的質能方程E=mc2，粒子的能態變化也會(hui) 反映在其質量變化上。科學家們(men) 就此發現一個(ge) 高電荷錸離子中長壽命的亞(ya) 穩態電子態，並直接確定其電子激發能，結果與(yu) 高級計算一致。

　　為(wei) 測量高電荷離子的躍遷能量提供了可能性

　　馬克斯·普朗克核物理研究所的裏馬·舒斯勒博士和她的同事們(men) 把通常含75個(ge) 電子的錸原子，製備成缺少29個(ge) 電子的高電荷錸離子，然後引入到Pentatrap的潘寧阱中。這些錸離子之一保持在最低的能量狀態，即基態，另外兩(liang) 個(ge) 則通過軟X射線使其獲得能量進入激發態。在磁場和特殊形狀電場的作用下，高電荷錸離子在潘寧阱中沿圓形軌道運轉。類似於(yu) 在空中旋轉係在繩索上的球，相同力的作用下，較重的球旋轉速度要比較輕的球旋轉速度慢。Pentatrap精確地計算不同錸離子每單位時間的環繞數，環繞數的差異即反映出重量的增加。

　　舒斯勒博士做了一個(ge) 非常形象的比喻，這相當於(yu) “通過給一個(ge) 六噸重的大象稱重，使我們(men) 能夠確定是否有十毫克的螞蟻在上麵爬行”。利用他們(men) 的Pentatrap，科學家們(men) 能夠證明錸離子已經轉變為(wei) 一個(ge) 亞(ya) 穩態的量子態，壽命約130天。這樣的躍遷需要202電子伏特的躍遷能量。不過，錸離子的這一量子態尚不適用於(yu) 原子鍾，因為(wei) 它需要X射線激發。但使用Pentatrap的質量測量方法來專(zhuan) 門搜索需要較少活化能的高電荷離子中的進一步能量躍遷，將使得具有這種離子的高精度原子鍾變得越來越可行。

　　由於(yu) 使用常規方法很難實現，該方法為(wei) 測量高電荷離子的躍遷能量提供了令人興(xing) 奮的可能性。此外，這一新方法還有望用於(yu) 基礎物理學的研究。如高精度地測試狹義(yi) 相對論和量子理論是否按照迄今的理論所描述的方式相互作用，或者用來搜索隻有極弱的引力才能注意到的未知粒子，例如暗物質。