科學(xué)家首次“現(xiàn)場(chǎng)直播”了一個(gè)原子核的驚險(xiǎn)翻轉(zhuǎn)

我們生活在一個(gè)由無數(shù)原子構(gòu)成的世界里，原子是如此微小，以至于我們無法用肉眼看見。而在每一個(gè)原子的中心，都存在一個(gè)更加微小、更加神秘的核心——原子核。長(zhǎng)久以來，我們對(duì)原子核的了解，大多來自于間接的推測(cè)和復(fù)雜的計(jì)算。它就像一個(gè)害羞的舞者，在量子的舞臺(tái)上不停地跳動(dòng)、旋轉(zhuǎn)，我們知道它在那里，卻從未能真正看清它的舞步。然而就在最近，美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）的科學(xué)家們，成功地將一束“聚光燈”打在了這個(gè)微觀舞者身上，人類歷史上第一次，實(shí)時(shí)地、清晰地觀察到了一個(gè)原子核完成“翻轉(zhuǎn)”動(dòng)作的全過程。

這個(gè)被選中的“明星舞者”，是一種名為“鐿-171”的原子核。在量子的世界里，原子核和它外面的電子一樣，都擁有一個(gè)被稱為“自旋”的奇特屬性。你可以把它想象成一個(gè)永不停歇的、微型的旋轉(zhuǎn)陀螺，或者一根極小的、自帶南北極的磁鐵棒。這個(gè)“翻轉(zhuǎn)”，指的就是它的自旋方向，或者說磁極方向，發(fā)生了一次從“南”到“北”或者從“北”到“南”的瞬間倒轉(zhuǎn)。這個(gè)動(dòng)作發(fā)生得極快，能量變化極其微弱，想要捕捉到它，比在宇宙中尋找一粒特定的沙子還要困難。

為了完成這項(xiàng)不可能的任務(wù)，麻省理工的團(tuán)隊(duì)打造出了一套前所未有、極其精密的“觀測(cè)系統(tǒng)”。他們使用的“攝像機(jī)”，是一種特制的量子傳感器，其核心是鉆石中的一個(gè)微小瑕疵，被稱為“氮空位中心”。這個(gè)小瑕疵對(duì)周圍磁場(chǎng)的變化極為敏感，就像一只能夠感知最微弱空氣流動(dòng)的蝴蝶。實(shí)驗(yàn)開始后，研究人員小心翼翼地將那顆孤零零的鐿原子，送到了這顆鉆石“攝像機(jī)”的旁邊，兩者之間的距離近到只有幾納米。

接下來，就是見證奇跡的時(shí)刻?？茖W(xué)家們首先用一束精確調(diào)諧的激光，像一只無形的手一樣，將鐿原子核的“自旋”牢牢地固定在某一個(gè)方向，比如說“朝上”。然后，他們突然撤掉這束激光，放開對(duì)原子核的束縛。失去了束縛的原子核，并不會(huì)立刻翻轉(zhuǎn)，而是會(huì)像一個(gè)剛剛被撥動(dòng)的陀螺一樣，開始搖搖晃晃地“進(jìn)動(dòng)”。這個(gè)搖晃的過程，本身就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)極其微弱的、不斷變化的磁場(chǎng)信號(hào)，而這個(gè)信號(hào)，被旁邊的鉆石傳感器敏銳地捕捉到了。

最關(guān)鍵的一幕，就發(fā)生在這個(gè)搖晃的過程中。在某個(gè)不可預(yù)測(cè)的瞬間，原子核的自旋會(huì)突然“砰”的一下，從“朝上”的狀態(tài)，徹底翻轉(zhuǎn)到了“朝下”的狀態(tài)。就在這一剎那，它周圍的磁場(chǎng)也發(fā)生了一個(gè)微小的、但卻是決定性的跳變。這個(gè)跳變信號(hào)，同樣被鉆石傳感器忠實(shí)地記錄了下來。通過分析這些連續(xù)的信號(hào)，研究人員不僅“看”到了原子核翻轉(zhuǎn)前那段優(yōu)美的搖晃舞步，更是精準(zhǔn)地捕捉到了它完成翻轉(zhuǎn)的那個(gè)決定性瞬間。這是人類第一次如此直觀地，去“凝視”一個(gè)原子核內(nèi)部的量子動(dòng)力學(xué)過程。

這項(xiàng)突破的意義，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了滿足科學(xué)家們的好奇心。首先，它為量子計(jì)算的發(fā)展提供了強(qiáng)大的助力。在量子計(jì)算機(jī)中，信息的最小單位被稱為“量子比特”，而性質(zhì)極其穩(wěn)定的原子核，正是制造量子比特的理想候選者之一。能夠精確地讀取和控制單個(gè)原子核的“翻轉(zhuǎn)”狀態(tài)，就相當(dāng)于我們掌握了對(duì)量子比特進(jìn)行“寫入”和“讀出”操作的關(guān)鍵技術(shù)，這是構(gòu)建實(shí)用化量子計(jì)算機(jī)的核心步驟。

其次，這項(xiàng)技術(shù)還能極大地提升原子鐘的精度。原子鐘是通過觀測(cè)原子內(nèi)部的穩(wěn)定躍遷來計(jì)時(shí)的，而這次的觀測(cè)，讓我們對(duì)原子核內(nèi)部的活動(dòng)有了更深的理解，有望幫助我們制造出比現(xiàn)在精準(zhǔn)億萬倍的、更加完美的時(shí)鐘。更令人興奮的是，這種超高靈敏度的量子傳感技術(shù)，未來或許還能被用于探索宇宙中最神秘的未知領(lǐng)域，比如尋找難以捉摸的暗物質(zhì)，或者研究單個(gè)生物大分子的內(nèi)部磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)?？梢哉f，這一次成功的“凝視”，為我們打開了一扇通往全新物理世界和未來應(yīng)用技術(shù)的大門。

參考資料：DOI:10.1038/s41467-025-63232-5