马克斯·普朗克学会 在类空间温度下的测量:五阱位于一个大型超导磁体中
容器内部被冷却到接近绝对零度的温度，因此原子的扰动热运动被冻结
因为房间里的人会通过他们的体温来影响测量，所以在实验过程中没有人被允许进入实验室
该系统是遥控的
学分:MPI核物理 通往量子世界的新大门已经打开:当一个原子通过电子的量子跳跃吸收或释放能量时，它会变得更重或更轻
这可以用爱因斯坦的相对论(E = mc2)来解释
然而，对于单个原子来说，这种影响微乎其微
然而，马克斯·普朗克原子核物理研究所的克劳斯·布劳姆和谢尔盖·叶利舍耶夫团队首次成功地测量了单个原子质量的微小变化
为了实现这一目标，他们在海德堡研究所使用了超精密五阱原子天平
该团队在铼中发现了一种以前未被观察到的量子态，这可能对未来的原子钟有意义
最重要的是，这种极其敏感的原子平衡能够更好地理解重原子的复杂量子世界
令人惊讶但却真实的是:如果你给机械表上弦，它会变得更重
给智能手机充电时也会发生同样的情况
这可以用能量(E)和质量(m)的等价来解释，爱因斯坦用物理学中最著名的公式来表示:E = mc2 (c:真空中光速)
然而，这种影响是如此之小，以至于它完全逃避了我们的日常经验
传统的天平无法检测到它
但是在海德堡的马克斯·普朗克原子核物理研究所，有一个平衡可以实现:五重陷阱
当一个电子通过量子跃迁吸收或释放能量时，它可以测量单个原子质量的微小变化，从而为精密物理开辟了一个新世界
原子电子层的这种量子跳跃塑造了我们的世界——无论是赋予生命的光合作用和一般的化学反应，还是创造颜色和我们的视觉
大象顶上的蚂蚁 里玛·许斯勒现在是马克斯·普朗克核物理研究所的博士后研究员，自2014年完成硕士论文以来，她一直在帮助建立五重陷阱
她是一篇论文的主要作者，这篇论文是关于一项在马克斯·普朗克研究所里肯中心的合作中的意外发现:在铼中，有一种以前未被发现的具有特殊性质的电子量子态
许斯勒用下面的类比来描述五重陷阱通过铼原子的质量变化来检测电子跃迁到量子态的灵敏度:“通过称量一只六吨重的大象，我们能够确定是否有一只十毫克的蚂蚁在上面爬行
" 五阱由五个潘宁阱组成
为了使这种阱能够称量一个原子，它必须带电(即
e
变成离子)
因为铼被剥夺了75个电子中的29个，所以它是高电荷的
这极大地提高了测量的准确性
该阱在磁场和特殊形状的电场的组合中捕获这种高电荷铼离子
在内部，它沿着一条环形路径行进，这条路径错综复杂地扭曲成自身
原则上，它可以被认为是一个绳子上的球，可以在空中旋转
如果用恒定的力来做，较重的球比较轻的球旋转得慢
极其精确的原子平衡:五重陷阱由五个叠放的潘宁陷阱组成(中间是黄色的塔)
在这些构造相同的陷阱中，处于激发态和基态的离子可以进行比较测量
为了使不确定性最小化，离子也在不同的阱之间来回移动，以进行比较测量
学分:MPI核物理 铼的一种寿命极长的量子态 在五重阱中，两个铼离子在堆叠阱中交替旋转
一个离子处于能量最低的量子态
当第二个离子产生时，通过提供能量，电子被随机激发到更高的状态
从某种意义上来说，这是手表的伤口
由于储存的能量，它变得稍微重一些，因此循环比第一个离子慢
Pentatrap精确计算每单位时间的转数
转数的不同导致重量的增加
利用这种方法，研究小组在铼中发现了一种寿命极长的量子态
它是亚稳态的(即
e
它在一定的寿命后衰变)
根据佐尔坦·哈曼和克里斯托弗·赫领导的研究所的理论家的计算
海德堡大学的凯特尔和巴黎的卡斯特勒·布罗塞尔实验室，这是130天
量子态的位置也非常符合使用最先进的量子力学方法的模型计算
未来原子钟的可能应用 该研究所的何塞·克雷斯波·洛佩斯-乌鲁蒂亚工作组与物理技术研究所合作研究了高电荷离子中的这种激发态电子态，这对基础研究以及未来原子钟的可能应用很有意义
对他们来说，铼的亚稳态是有吸引力的，原因有几个
首先，由于它的寿命，它对应于原子核周围电子的尖锐轨道频率
第二，电子可以被软X射线光激发，跃迁到这个量子态
原则上，这样的时钟可以比现在的光学原子钟走得更快，因此也更精确
然而，据负责PTB时间和频率部门的埃克哈德·佩克(Ekkehard Peik)说，现在猜测这一发现是否适合新一代原子钟还为时过早
“然而，这种发现长寿量子态的新方法是惊人的，”这位物理学家说
他设想原子钟与这种新的量子态一起工作，最初可以为基础研究提供一个新的测试领域
因为铼离子缺少许多相互屏蔽的电子，剩余的电子感受到原子核的电场特别强烈
因此，电子以如此高的速度围绕原子核旋转，它们的运动必须用爱因斯坦的狭义相对论来描述
有了新的原子天平，就有可能高精度地测试狭义相对论和量子理论是否如该理论所描述的那样相互作用
总的来说，新的原子平衡为更重的原子提供了一个类似量子的内部生命的新途径
因为它们由许多粒子组成——电子、质子和中子——所以无法精确计算
因此，理论计算的原子模型是建立在简化的基础上的，现在可以非常精确地检验这些模型
用这样的原子作为探针来寻找未知的粒子是可能的，这种粒子只能通过极其微弱的引力来探测
这个暗物质是物理学中最大的未解之谜之一
走向新物理 用原子物理方法进入新物理的一个重要步骤也是通过五阱物理实现的
每分钟转速
拉脱维亚人
124, 113001]
海德堡的研究人员对五对氙同位素链进行了质量测量
在钙和镱等其他元素的类似链上使用高分辨率激光光谱学，可以从微小的能量差异(同位素位移)推断出线性关系
然而，非线性偏离这一点可能是新物理(进一步的基本相互作用、新粒子、暗物质)的迹象，这在极其精确的观测下表现出来——高能实验的替代方案
这里也应该强调与理论的密切合作(MPIK的Zoltan·哈曼小组)
直接测量高电荷离子中电子的结合能显示出与相对论性原子结构计算非常一致
这创造了基础e
g
为了未来量子电动力学的高精度测试
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