相干核激发

现代物理学的巨大成功之一是对动态量子过程的日益精确的控制。它使人们对量子世界及其所有奇特之处有更深入的了解，同时也是新量子技术的推动力。但是从原子的角度来看，“相干控制”到目前为止仍然是肤浅的：原子外壳中电子的量子跃迁变得越来越容易被激光控制。但是，正如克里斯托夫·基特尔（Christoph Keitel）所解释的那样，原子核本身也是量子系统，在其中核构造单元可以在不同的量子态之间进行量子跃迁。

海德堡马克斯·普朗克核物理研究所所长解释说：“除了类似于电子壳之外，还存在巨大差异”：“它们使我们非常兴奋！”不同量子态之间的量子跃迁实际上是一种能量阶梯上的跃迁。凯特尔说：“这些量子跃迁的能量通常比电子壳中的能量大六个数量级。”因此，核组件产生的单个量子跃变可以将多达一百万倍的能量注入其中，或者再次释放出来。这引起了具有空前的存储容量的核电池的想法。

这样的技术应用仍然是未来的愿景。目前，研究需要有针对性地解决和控制这些量子跃迁。这需要精确控制的高能X射线光。海德堡团队一直致力于这种实验技术已有10多年的历史了。现在已首次使用。

原子核的量子态比电子态具有另一个重要的优势。与电子量子跃迁相比，它们的定义更为清晰。由于这会根据物理定律直接转换为更准确的频率，因此原则上可以将它们用于极其精确的测量。例如，这可以实现超精密核钟的开发，从而使当今的原子钟看起来像过时的摆钟。除了此类时钟的技术应用（例如在导航中）之外，它们还可以用于更精确地检查当今物理学的基础知识。这包括自然常数是否真的是常数的基本问题。但是，这样的精密技术需要控制原子核中的量子跃迁。

首先，海德堡实验技术的原理听起来很简单。它使用高能X射线光的脉冲（即闪光），目前由格勒诺布尔的欧洲同步辐射源ESRF提供。实验将这些X射线脉冲拆分为第一个样本，以使第二个脉冲在第一个脉冲的其余部分之后跟随一个时间延迟。一个接一个，都遇到第二个样本，即实际调查对象。

第一个脉冲很短，包含多种频率。就像a弹枪的爆炸一样，它刺激原子核中的量子跃迁。在第一个实验中，这是铁原子核中的特殊量子态。第二个脉冲更长，并且能量精确地调整到了量子跃迁。这样，它可以专门控制由脉冲1触发的量子动力学。可以调整两个脉冲之间的时间跨度。这使团队可以调整第二个脉冲对于量子态是更具建设性还是更具破坏性。

海德堡物理学家将这种控制机制与秋千进行了比较。随着第一个脉冲，您推动它。根据您对其进行第二次推动的振荡阶段，它会振荡得更强或更慢。

但是听起来简单的是一项技术挑战，需要多年的研究。原子核的量子动力学的受控变化要求第二个脉冲的延迟在几秒钟的难以想象的短时间范围内保持稳定。因为只有这样，两个脉冲才能以控制方式一起工作。

十亿分之一秒是十亿分之一秒的十亿分之一秒–或十进制点后跟20个零和一个1。在一秒秒中，光甚至无法通过中等大小原子的百分之一。您如何想象这与我们的世界有关？ “如果您想象一个原子与地球一样大，那么大约50公里，”发起该项目的约尔格·埃弗斯（JörgEvers）说。

第二个X射线脉冲由于第一个样品的微小位移而延迟，该样品还包含具有适当量子跃迁的铁核。马克斯·普朗克核能研究所所长Thomas Pfeifer解释说：“原子核在短时间内选择性地存储了来自第一个X射线脉冲的能量，在此期间，样品迅速移动了大约X射线光的一半波长。”海德堡物理学。这相当于一米的约45万亿分之一。经过这一微小的运动后，样品发出第二个脉冲。

物理学家将他们的实验与距鞭炮不同距离的两个音叉进行了比较（图2）。砰的一声首先撞击较近的音叉，使其振动，然后移至第二个音叉。同时，现在兴奋的第一个音叉本身会发出声波，并延迟到达第二个音叉。根据延迟时间的不同，此声音会放大或减弱第二个拨叉的振动，就像第二次推动摆动摆动一样，对于受激核也是如此。

通过该实验，马克斯·普朗克核物理研究所的JörgEvers，Christoph Keitel和Thomas Pfeifer及其团队与汉堡的DESY和耶拿的亥姆霍兹研究所/弗里德里希·席勒大学的研究人员首次成功地证明了相干性控制核激发。除了诸如ESRF上的同步加速器设施外，诸如DESY上的欧洲XFEL之类的自由电子激光器（FEL）最近还提供了强大的X射线辐射源，甚至具有类似激光器的质量。这为新兴的核量子光学领域打开了充满活力的未来。