马克斯·普朗克学会 无花果
1:实验的示意性设置
在第一样品中产生的双脉冲在第二样品的原子核中诱发量子动力学，这可以通过延迟部分双脉冲来控制
信用:马克斯·普朗克学会 海德堡马克斯·普朗克原子核物理研究所的一组研究人员首次利用适当形状的x光来相干控制核激发
在欧洲同步加速器ESRF进行的实验中，他们实现了几十秒的时间控制稳定性
这为利用核动力学控制的新实验方法奠定了基础，这可能导致更精确的未来时间标准，并在通向核电池的道路上开辟新的可能性
现代量子动力学实验可以借助激光场在很大程度上控制原子中电子的量子过程
然而，原子核的内部寿命通常不起作用，因为它们的特征能量、时间和长度尺度是如此极端，以至于它们实际上不受激光场的影响
通过利用这种对外部干扰的不敏感性，并利用原子核的极端尺度进行特别精确的测量，新的方法给核物理注入了新的生命
因此，原子核可以通过激发单个核子——类似于原子壳层中的电子——来响应具有极其明确能量的x光
这些跃迁可以用作精密核时钟的时钟，这要求以最高的精度测量核特性
海德堡马克斯·普朗克原子核物理研究所的一组物理学家不仅测量了原子核的量子动力学，还利用适当形状的x光脉冲控制了它们，这些脉冲以前没有达到几十亿秒的时间稳定性，比以前任何时候都好100倍
这为原子核打开了相干控制的工具箱——提供了全新的可能性和视角，这种工具箱已经在光学光谱学中成功建立
所谓的相干控制是利用物质的波动特性，通过电磁场来控制量子过程
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激光脉冲
除了频率或波长之外，每个波现象的特征在于振幅(波高)和相位(波峰和波谷的时间位置)
一个简单的类比是通过周期性的波浪式推动来控制摆动
为此，必须控制推动相对于摆动运动的准确时间(相位)
如果迎面而来的秋千被推动，它就会减速
另一方面，如果它离开，它的偏转会因推力而增加
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2:观察到的作为时间(t)和两个样品相互失谐(δ)的函数的x光干涉结构
(1)激励情况下的测量数据，(2)增强激励情况下的测量数据
信用:马克斯·普朗克学会 类似地，物质的量子力学性质可以通过相应地精确控制所施加的激光场来控制
在过去的几十年里，在原子和分子的相干控制方面取得了巨大的进步和成功，光的时间精度低至阿秒范围，即十亿分之一秒的十亿分之一部分，这相当于原子中电子的自然时间尺度
未来可能应用的重要研究目标是，例如，控制化学反应或开发新的、更精确的时间标准
近年来，具有激光质量的新型x光辐射源(同步辐射和自由电子激光)的出现开辟了一个新的领域:核量子光学
海德堡马克斯·普朗克核物理研究所(MPIK)的克里斯托夫·凯特尔和托马斯·普费菲的物理学家与DESY(汉堡)和亥姆霍兹研究所/弗里德里希·席勒大学(耶拿)的研究人员合作，在欧洲同步加速器ESR F(法国格勒诺布尔)首次成功地演示了X射线对核激发的相干控制
实现了几十秒(一千分之一阿秒)的相干控制的稳定性
在实验中，项目负责人约格·埃维斯(MPIK)周围的研究人员使用了两个富含铁同位素57Fe的样品，这两个样品被来自同步加速器的短X射线脉冲照射(图
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在第一个样品中，他们产生了一个可控的双x光脉冲，然后用来控制第二个样品中原子核的动力学
所研究的核激发——通过x光发射再次去激发——的特点是能量非常尖锐:所谓的穆斯堡尔跃迁
鲁道夫·穆斯堡尔于1958年在伦敦医学研究所发现了潜在的效应(1961年诺贝尔奖)，同年MPIK大学也从该研究所分离出来
为了产生双脉冲，第一个样品的原子核被短的x光脉冲激发，并且由于高能量锐度，以第二个x光脉冲的形式释放该激发相对较慢
在实验中，样品在激发和去激发之间快速移动一小段距离，该距离对应于大约一半的x光波长
这改变了第二个脉冲到第二个样品的飞行时间，并因此改变了两个x光脉冲的波相对于彼此的位置(相对相位)
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3:使用实验中代表两个样本的音叉示例的相干控制原理
一声巨响(蓝色)激发两个音叉振动，类似于同步加速器脉冲
砰的一声后，第一个音叉发出的声音还会撞击第二个音叉，就像双脉冲的第二部分一样
根据这种声音是以反相(a)还是同相(b)撞击第二个音叉，半透明的未偏移波显示出半个波长的偏移，其运动被衰减或放大
类似地，原子核的量子动力学可以通过双脉冲的两个部分的位移来控制
信用:马克斯·普朗克学会 这个双脉冲现在可以控制第二个样品中的原子核
第一个脉冲激发了原子核中的量子力学动力学，类似于摆动
第二个脉冲根据两个x光脉冲的相对相位改变这种动态
例如，如果第二个脉冲的波与核动力学同相击中第二个样品，则原子核被进一步激发
通过改变相对相位，研究人员能够在原子核的进一步激发和去激发之间切换，从而控制原子核的量子力学状态
这可以从第二个样品后面的x光辐射的测量干涉结构中重建(图
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声学类比如图
3:在这里，样品的穆斯堡尔核对应于音叉，音叉被一个短的爆炸激发(“开始发射”，类似于同步加速器脉冲)，反过来声音被它们精确定义的频率轻微衰减
因此，第一个音叉的声音在砰的一声后撞击第二个音叉作为附加激励
在情况(a)中，该声波向第二个音叉的相反方向移动，因此其振荡被去激励
在情况(b)中，第一个音叉快速移动，使其声音与第二个音叉的运动相匹配，从而使其更加兴奋
考虑到控制原子核所需的极端要求(第一个样品位移半个波长的量级为原子半径)，外部扰动对实验质量的明显微小影响令人惊讶
然而，这是可行的——由于测量序列的持续时间很短，在此期间，主要的干扰运动实际上是冻结的
这种稳定性是未来基于核跃迁的新应用的先决条件:更精确的时间标准、对基本常数变化的研究或对公认模型之外的新物理的探索
在原子动力学领域，深远的控制是许多应用的关键
这里展示的可能性为基于控制核动力学的新实验方法打开了大门
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通过制备特定量子态的原子核，允许更精确的测量
就未来的x光源能够对原子核进行更强的激发而言，也可以设想能够在原子核的内部激发中储存和释放大量能量而不发生核裂变或聚变的核电池
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